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DE102025116826A1 - Estimating the concentration of a respiratory gas in a patient's blood - Google Patents

Estimating the concentration of a respiratory gas in a patient's blood

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Publication number
DE102025116826A1
DE102025116826A1 DE102025116826.1A DE102025116826A DE102025116826A1 DE 102025116826 A1 DE102025116826 A1 DE 102025116826A1 DE 102025116826 A DE102025116826 A DE 102025116826A DE 102025116826 A1 DE102025116826 A1 DE 102025116826A1
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DE
Germany
Prior art keywords
volume
patient
data
respiratory gas
measurement data
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102025116826.1A
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German (de)
Inventor
Peter Kremeier
Gerardo Tusman
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Loewenstein Medical Technology SA
Original Assignee
Loewenstein Medical Technology SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Loewenstein Medical Technology SA filed Critical Loewenstein Medical Technology SA
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Pending legal-status Critical Current

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Abstract

Ein Verfahren zum Schätzen einer Konzentration eines Atemgases im Blut eines Patienten umfasst: Empfangen von Messdaten, die einen volumenabhängigen Verlauf einer Konzentration des Atemgases in einem vom Patienten ausgeatmeten Atemluftstrom abhängig von einem vom Patienten ausgeatmeten Atemluftvolumen anzeigen; Erzeugen von Eingabedaten (14) aus den Messdaten, wobei die Eingabedaten (14) eine Matrix von Werten für verschiedene Parameter bezüglich des volumenabhängigen Verlaufs umfassen; Eingeben der Eingabedaten (14) in ein Machine-Learning-Modul (15), das trainiert wurde, um die Eingabedaten (14) in Ausgabedaten (17) umzuwandeln, wobei die Ausgabedaten (17) eine Konzentration des Atemgases im Blut des Patienten anzeigen; Ausgeben der Ausgabedaten (17) durch das Machine-Learning-Modul (15). A method for estimating the concentration of a respiratory gas in a patient's blood comprises: receiving measurement data showing a volume-dependent profile of the concentration of the respiratory gas in a patient's exhaled airflow as a function of the patient's exhaled air volume; generating input data (14) from the measurement data, wherein the input data (14) comprise a matrix of values for various parameters relating to the volume-dependent profile; inputting the input data (14) into a machine learning module (15) trained to convert the input data (14) into output data (17), wherein the output data (17) indicate a concentration of the respiratory gas in the patient's blood; and outputting the output data (17) by the machine learning module (15).

Description

Technisches GebietTechnical field

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schätzen einer Konzentration eines Atemgases im Blut eines Patienten. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Trainieren eines Machine-Learning-Moduls zur Verwendung in einem solchen Verfahren. Ferner betrifft die Erfindung eine Datenverarbeitungsvorrichtung, ein Computerprogramm und ein computerlesbares Medium zum Ausführen von mindestens einem dieser Verfahren sowie ein medizintechnisches Gerät.The invention relates to a method for estimating the concentration of a respiratory gas in a patient's blood. Furthermore, the invention relates to a method for training a machine learning module for use in such a method. The invention also relates to a data processing device, a computer program, and a computer-readable medium for executing at least one of these methods, as well as a medical device.

Stand der TechnikState of the art

Bei der maschinellen Beatmung anästhesierter und kritisch kranker Patienten muss der ordnungsgemäße Austausch biologischer Gase kontinuierlich aufrechterhalten werden. Den Goldstandard für die Beurteilung des Gasaustauschs im klinischen Bereich stellt die Analyse biologischer Gase in arteriellen Blutproben dar. Dabei werden die Partialdrücke von Kohlendioxid und Sauerstoff im Blut mit dem Anteil des eingeatmeten Sauerstoffs und der alveolären Ventilation abgeglichen, um festzustellen, ob ein Atemversagen vorliegt oder nicht. Eine solche Blutgasanalyse ist jedoch invasiv und zeitaufwendig.During mechanical ventilation of anesthetized and critically ill patients, the proper exchange of biological gases must be continuously maintained. The gold standard for assessing gas exchange in the clinical setting is the analysis of biological gases in arterial blood samples. This involves comparing the partial pressures of carbon dioxide and oxygen in the blood with the proportion of inhaled oxygen and alveolar ventilation to determine whether or not respiratory failure is present. However, such blood gas analysis is invasive and time-consuming.

Daneben ist es möglich, den alveolären Kohlendioxidpartialdruck (pACO2) mittels Kapnographie nicht invasiv zu messen. Eine solche Messung kann jedoch eine herkömmliche Blutgasanalyse - insbesondere bei anästhesierten und kritisch kranken Patienten - bislang nicht ersetzen.In addition, it is possible to measure the alveolar partial pressure of carbon dioxide (p<sub>A</sub> CO <sub>2 </sub>) non-invasively using capnography. However, such a measurement cannot yet replace conventional blood gas analysis, especially in anesthetized and critically ill patients.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Eine Aufgabe der Erfindung kann darin gesehen werden, ein Verfahren zu schaffen, das es ermöglicht, eine Konzentration eines Atemgases im Blut eines Patienten nicht invasiv mit hinreichender Genauigkeit zu bestimmen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung kann darin gesehen werden, ein Verfahren zum Trainieren eines entsprechenden Machine-Learning-Moduls, eine entsprechende Datenverarbeitungsvorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm, ein entsprechendes computerlesbares Medium sowie ein entsprechendes medizintechnisches Gerät bereitzustellen.One object of the invention can be seen as providing a method that makes it possible to determine the concentration of a respiratory gas in a patient's blood non-invasively and with sufficient accuracy. A further object of the invention can be seen as providing a method for training a corresponding machine learning module, a corresponding data processing device, a corresponding computer program, a corresponding computer-readable medium, and a corresponding medical device.

Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren dargelegt.These problems are solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are set out in the dependent claims, the following description, and the accompanying figures.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein computerimplementiertes Verfahren zum Schätzen einer Konzentration eines Atemgases im Blut eines Patienten. Das Verfahren umfasst: Empfangen von Messdaten, die einen volumenabhängigen Verlauf einer Konzentration des Atemgases in einem vom Patienten ausgeatmeten Atemluftstrom abhängig von einem vom Patienten ausgeatmeten Atemluftvolumen anzeigen; Erzeugen von Eingabedaten aus den Messdaten, wobei die Eingabedaten eine Matrix von Werten für verschiedene Parameter bezüglich des volumenabhängigen Verlaufs umfassen; Eingeben der Eingabedaten in ein Machine-Learning-Modul, das trainiert wurde, um die Eingabedaten in Ausgabedaten umzuwandeln, wobei die Ausgabedaten eine Konzentration des Atemgases im Blut des Patienten anzeigen; Ausgeben der Ausgabedaten durch das Machine-Learning-Modul.A first aspect of the invention relates to a computer-implemented method for estimating the concentration of a respiratory gas in a patient's blood. The method comprises: receiving measurement data showing a volume-dependent profile of the concentration of the respiratory gas in an exhaled airflow from the patient, depending on the volume of air exhaled by the patient; generating input data from the measurement data, wherein the input data comprise a matrix of values for various parameters relating to the volume-dependent profile; feeding the input data into a machine learning module trained to convert the input data into output data, wherein the output data indicate a concentration of the respiratory gas in the patient's blood; and outputting the output data by the machine learning module.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein computerimplementiertes Verfahren zum Trainieren eines Machine-Learning-Moduls für ein medizintechnisches Gerät. Das Verfahren umfasst: Empfangen mehrerer Messdatensätze, die jeweils Messdaten umfassen, die einen volumenabhängigen Verlauf einer Konzentration eines Atemgases in einem von einem Patienten ausgeatmeten Atemluftstrom abhängig von einem vom Patienten ausgeatmeten Atemluftvolumen anzeigen, wobei die Messdaten verschiedener Messdatensätze zumindest teilweise verschiedenen Patienten zugeordnet sind; Erzeugen mehrerer Trainingsdatensätze aus den Messdatensätzen, wobei jeder Trainingsdatensatz einem der Patienten zugeordnet ist und eine Matrix von Werten für verschiedene Parameter bezüglich des volumenabhängigen Verlaufs umfasst; Eingeben eines jeden Trainingsdatensatzes als Eingabedaten in das Machine-Learning-Modul, das konfiguriert ist, um die Eingabedaten in Ausgabedaten umzuwandeln, wobei die Ausgabedaten eine Konzentration des Atemgases im Blut des jeweiligen Patienten anzeigen; Ausgeben der Ausgabedaten durch das Machine-Learning-Modul; Bestimmen einer Abweichung der Ausgabedaten von Zieldaten, die dem jeweiligen (den Ausgabedaten zugrunde liegenden) Trainingsdatensatz zugeordnet sind; Anpassen von Gewichten des Machine-Learning-Moduls in einem Optimierungsverfahren, um die Abweichung zu verringern.A second aspect of the invention relates to a computer-implemented method for training a machine learning module for a medical device. The method comprises: receiving multiple measurement data sets, each containing measurement data showing a volume-dependent profile of the concentration of a respiratory gas in an exhaled airflow from a patient, depending on the volume of air exhaled by the patient, wherein the measurement data from different data sets are at least partially assigned to different patients; generating multiple training data sets from the measurement data sets, each training data set being assigned to one of the patients and comprising a matrix of values for various parameters relating to the volume-dependent profile; inputting each training data set as input data into the machine learning module, which is configured to convert the input data into output data, wherein the output data shows a concentration of the respiratory gas in the blood of the respective patient; outputting the output data by the machine learning module; and determining a deviation of the output data from target data assigned to the respective (underlying) training data set. Adjusting the weights of the machine learning module in an optimization process to reduce the deviation.

Es ist möglich, dass die Verfahren automatisch durch einen Prozessor, beispielsweise durch einen Prozessor eines medizintechnischen Geräts, ausgeführt werden. Das in dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung verwendete Machine-Learning-Modul kann mit dem Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung trainiert worden sein. Das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann zusätzlich die Schritte des Verfahrens gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung umfassen.It is possible that the methods are executed automatically by a processor, for example, by a processor of a medical device. The machine learning module used in the method according to the first aspect of the invention may have been trained using the method according to the second aspect of the invention. The method according to the first aspect of the invention may additionally include the steps the method according to the second aspect of the invention.

Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass zur Schätzung einer Konzentration eines Atemgases im Blut eines Patienten, insbesondere in dessen arteriellem Blut, die Kurve eines volumetrischen Kapnogramms oder Oxigramms mithilfe eines Machine-Learning-Algorithmus analysiert werden kann. Diese Kurve ändert sich abhängig von Schwankungen in der Lungenventilation und -perfusion des Patienten. Solche Schwankungen können bei einer Schätzung mit herkömmlichen Methoden zu größeren Ungenauigkeiten führen.The approach presented here is based on the understanding that the concentration of a respiratory gas in a patient's blood, particularly in their arterial blood, can be estimated by analyzing the curve of a volumetric capnogram or oxigram using a machine learning algorithm. This curve changes depending on fluctuations in the patient's lung ventilation and perfusion. Such fluctuations can lead to significant inaccuracies when estimating with conventional methods.

Hingegen ermöglichen die vor- und nachstehend beschriebenen Verfahren auch bei verschiedenen Patienten und/oder bei starken Schwankungen der Lungenfunktion eine sehr genaue Schätzung der Konzentration des Atemgases im Blut des Patienten. Dies hat den Vorteil, dass eine invasive Blutgasanalyse weniger häufig durchgeführt werden muss oder sogar entfallen kann.In contrast, the methods described above and below allow for a very accurate estimation of the concentration of the respiratory gas in the patient's blood, even in different patients and/or with significant fluctuations in lung function. This has the advantage that invasive blood gas analysis needs to be performed less frequently or may even be unnecessary.

Im Vergleich zu einer Ausführungsform, bei der die Konzentration des Atemgases im Blut des Patienten unmittelbar anhand der (rohen) Messdaten geschätzt wird oder bei der die (rohen) Messdaten als die Eingabedaten verwendet werden, haben die vor- und nachstehend beschriebenen Verfahren zudem den Vorteil, dass deutlich weniger Rechenleistung erforderlich ist und auch bei weniger guten Messdaten eine ausreichend genaue Schätzung ermöglicht wird. Zudem wird das Risiko von Fehlinterpretationen reduziert, weil die Eingabedaten im Gegensatz zu (rohen) Messdaten vordefiniert sind.Compared to an embodiment in which the concentration of the respiratory gas in the patient's blood is estimated directly from the (raw) measurement data, or in which the (raw) measurement data is used as input data, the methods described above and below have the additional advantage of requiring significantly less computing power and enabling a sufficiently accurate estimate even with less-than-ideal measurement data. Furthermore, the risk of misinterpretations is reduced because the input data, unlike (raw) measurement data, is predefined.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn mehrere Parameter bezüglich der Kurve analysiert werden. Ein solcher multivariater Ansatz liefert mehr Informationen für die Schätzung, als wenn nur ein einzelner Parameter, beispielsweise der alveoläre Partialdruck des betreffenden Atemgases, analysiert wird, und ermöglicht in Kombination mit einem entsprechend konfigurierten Machine-Learning-Algorithmus eine deutlich genauere und robustere Schätzung.It is particularly advantageous to analyze multiple parameters of the curve. Such a multivariate approach provides more information for estimation than analyzing only a single parameter, such as the alveolar partial pressure of the relevant respiratory gas, and, in combination with a suitably configured machine learning algorithm, enables a significantly more accurate and robust estimation.

Nachfolgend werden einige Begriffe näher erläutert.Some terms are explained in more detail below.

Unter „Patient“ kann ein Beatmungspatient verstanden werden, d. h. ein menschliches oder tierisches Subjekt, das mittels eines Beatmungsgeräts beatmet wird oder werden soll.The term "patient" can be understood to mean a ventilated patient, i.e., a human or animal subject who is or is to be ventilated by means of a ventilator.

Unter „Atemgas“ kann beispielsweise eines der folgenden Gase verstanden werden: Kohlendioxid, Sauerstoff, Stickstoff, Wasserdampf, Narkosegas.The term "breathing gas" can refer to, for example, one of the following gases: carbon dioxide, oxygen, nitrogen, water vapor, anesthetic gas.

Unter „Atemluft“ wie in „Atemluftstrom“ oder „Atemluftvolumen“ kann ein das Atemgas umfassendes Atemgasgemisch verstanden werden.The term "breathing air," as in "breathing airflow" or "breathing air volume," can refer to a mixture of breathing gases.

Unter „Konzentration“ kann allgemein ein Anteil oder eine Menge, insbesondere ein Partialdruck, verstanden werden.The term "concentration" can generally be understood as a proportion or quantity, in particular a partial pressure.

Bei der Konzentration des Atemgases im Blut des Patienten kann es sich beispielsweise um einen arteriellen und/oder venösen Partialdruck des Atemgases handeln.The concentration of the respiratory gas in the patient's blood can, for example, be an arterial and/or venous partial pressure of the respiratory gas.

Die Messdaten können zumindest teilweise unter Verwendung einer entsprechenden Sensorik, beispielsweise einer Sensorik eines medizintechnischen Geräts, erzeugt worden sein. Beispielsweise können die Messdaten nicht invasiv durch Kapnographie und/oder Oxigraphie erzeugt worden sein. Anders ausgedrückt kann es sich bei den Messdaten beispielsweise um Daten aus einem Kapnogramm und/oder einem Oxigramm handeln.The measurement data may have been generated, at least in part, using appropriate sensors, such as those of a medical device. For example, the measurement data may have been generated non-invasively through capnography and/or oxigraphy. In other words, the measurement data may consist of data from a capnogram and/or an oxigram.

Die Messdaten, die den Trainingsdatensätzen zugrunde liegen, können reale (d. h. aus einer realen Messung resultierende) Daten und/oder simulierte Daten umfassen. Die simulierten Daten können - im Gegensatz zu den realen Daten - unter Verwendung einer Simulationsumgebung, in der Lungenzustände verschiedener Patienten durch einen Computer simuliert werden, erzeugt worden sein.The measurement data underlying the training datasets can include real data (i.e., data resulting from a real measurement) and/or simulated data. The simulated data—unlike the real data—may have been generated using a simulation environment in which the lung conditions of various patients are simulated by a computer.

Unter „Eingabedaten“ können von den Messdaten abweichende und/oder im Gegensatz zu den Messdaten speziell an das Machine-Learning-Modul angepasste Daten verstanden werden. Insbesondere können die Eingabedaten gegenüber den Messdaten komprimierte Daten sein. Es ist möglich, dass die Messdaten in ein weiteres Machine-Learning-Modul eingegeben werden, das trainiert wurde, um die Messdaten in die Eingabedaten umzuwandeln.The term "input data" can refer to data that differs from the measurement data and/or, unlike the measurement data, is specifically adapted to the machine learning module. In particular, the input data can be compressed data compared to the measurement data. It is possible that the measurement data is fed into another machine learning module that has been trained to convert the measurement data into the input data.

Unter „Machine-Learning-Modul“ kann ein Hard- und/oder Softwaremodul zum Umwandeln von Eingabedaten in Ausgabedaten in einem durch maschinelles Lernen parametrierten, d. h. trainierten Algorithmus verstanden werden. Ein solcher Algorithmus kann beispielsweise ein künstliches neuronales Netz, ein Entscheidungsbaum, ein Random Forest, ein k-nächste-Nachbarn-Algorithmus, eine Support-Vector-Maschine, ein Bayes-Klassifikator, ein k-Means-Algorithmus, ein genetischer Algorithmus, ein Kernelregressionsalgorithmus, ein Diskriminanzanalyse-Algorithmus oder eine Kombination von mindestens zwei dieser Beispiele sein.A "machine learning module" can be understood as a hardware and/or software module for converting input data into output data in a machine learning-parameterized, i.e., trained, algorithm. Such an algorithm could be, for example, an artificial neural network, a decision tree, a random forest, a k-nearest neighbors algorithm, a support vector machine, a Bayesian classifier, a k-means algorithm, a genetic algorithm, a kernel regression algorithm, a discriminant analysis algorithm, or a combination of at least two of these examples.

Jedem Trainingsdatensatz, der in das Machine-Learning-Modul eingegeben wird, kann ein Satz vordefinierter Zieldaten zugeordnet sein. Die Zieldaten können beispielsweise einen dem jeweiligen Trainingsdatensatz zugeordneten Zielwert für die Konzentration des Atemgases im Blut des jeweiligen Patienten umfassen. Insbesondere können die Zieldaten ein Ergebnis einer Messung (z. B. einer Blutgasanalyse) anzeigen, die zum gleichen Zeitpunkt und/oder kurz vor und/oder kurz nach dem Zeitpunkt durchgeführt wurde, zu dem die dem jeweiligen Trainingsdatensatz zugrunde liegenden Messdaten erzeugt wurden. Die Zieldaten können reale (d. h. aus einer realen Messung resultierende) Daten und/oder simulierte Daten umfassen. Die simulierten Daten können - im Gegensatz zu den realen Daten - unter Verwendung einer Simulationsumgebung, in der Lungenzustände verschiedener Patienten durch einen Computer simuliert werden, zusammen mit dem jeweiligen Trainingsdatensatz erzeugt worden sein.Each training dataset entered into the machine learning module can be associated with a set of predefined target data. Target data may, for example, include a target value for the concentration of respiratory gas in the blood of a given patient, associated with the respective training dataset. Specifically, the target data may show the result of a measurement (e.g., a blood gas analysis) performed at the same time and/or shortly before and/or after the time at which the measurement data underlying the respective training dataset were generated. The target data may include real data (i.e., resulting from a real measurement) and/or simulated data. The simulated data—unlike the real data—may have been generated using a simulation environment in which a computer simulates the lung conditions of various patients, along with the respective training dataset.

Zum Bestimmen der Abweichung der Ausgabedaten von den Zieldaten können die Ausgabedaten und die Zieldaten in eine geeignete Verlustfunktion zum Berechnen eines die Abweichung quantifizierenden Scores eingegeben werden. Der Score kann beispielsweise mithilfe der Methode der kleinsten Quadrate berechnet werden.To determine the deviation of the output data from the target data, the output data and the target data can be input into a suitable loss function to calculate a score quantifying the deviation. The score can be calculated, for example, using the method of least squares.

Unter „Optimierungsverfahren“ kann ein iteratives Verfahren zum Minimieren der Verlustfunktion verstanden werden, beispielsweise ein Gradientenverfahren, insbesondere ein stochastisches Gradientenverfahren, mit Backpropagation.The term "optimization method" can be understood as an iterative procedure for minimizing the loss function, for example a gradient method, in particular a stochastic gradient method, with backpropagation.

Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine Datenverarbeitungsvorrichtung. Die Datenverarbeitungsvorrichtung umfasst einen Prozessor, der konfiguriert ist, um mindestens eines der vor- und nachstehend beschriebenen Verfahren auszuführen.A third aspect of the invention relates to a data processing device. The data processing device comprises a processor configured to perform at least one of the methods described above and below.

Unter „Datenverarbeitungsvorrichtung“ kann allgemein ein Computer verstanden werden. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann Hard- und/oder Softwarekomponenten umfassen. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann beispielsweise ein Steuergerät, ein PC, ein Server, ein Laptop, ein Tablet, ein Smartphone oder eine Kombination von mindestens zwei dieser Beispiele sein. Alternativ kann unter „Datenverarbeitungsvorrichtung“ mindestens eine Hard- und/oder Softwarekomponente von mindestens einem dieser Beispiele verstanden werden.The term "data processing device" can generally be understood to mean a computer. A data processing device can comprise hardware and/or software components. For example, a data processing device can be a control unit, a PC, a server, a laptop, a tablet, a smartphone, or a combination of at least two of these examples. Alternatively, "data processing device" can be understood to mean at least one hardware and/or software component of at least one of these examples.

Unter „Prozessor“ kann beispielsweise eine CPU (central processing unit), ein Grafikprozessor, eine TPU (tensor processing unit) oder eine Kombination von mindestens zwei dieser Beispiele verstanden werden.The term "processor" can refer to, for example, a CPU (central processing unit), a graphics processor, a TPU (tensor processing unit), or a combination of at least two of these examples.

Zusätzlich zum Prozessor kann die Datenverarbeitungsvorrichtung mindestens eine der folgenden Komponenten umfassen: einen Speicher, ein Bussystem zur Datenkommunikation zwischen dem Prozessor und dem Speicher, eine Datenkommunikationsschnittstelle zur drahtlosen und/oder drahtgebundenen Datenkommunikation mit Peripheriegeräten.In addition to the processor, the data processing device may include at least one of the following components: a memory, a bus system for data communication between the processor and the memory, a data communication interface for wireless and/or wired data communication with peripheral devices.

Es wird darauf hingewiesen, dass Merkmale der vor- und nachstehend beschriebenen Verfahren auch Merkmale der Datenverarbeitungsvorrichtung sein können (und umgekehrt).It should be noted that features of the procedures described above and below may also be features of the data processing device (and vice versa).

Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft ein medizintechnisches Gerät. Das medizintechnische Gerät umfasst eine Sensorik zum Erzeugen von Messdaten, die einen volumenabhängigen Verlauf einer Konzentration eines Atemgases in einem von einem Patienten ausgeatmeten Atemluftstrom abhängig von einem vom Patienten ausgeatmeten Atemluftvolumen anzeigen, sowie eine Datenverarbeitungsvorrichtung, wie sie vor- und nachstehend beschrieben wird.A fourth aspect of the invention relates to a medical device. The medical device comprises sensors for generating measurement data that indicate a volume-dependent profile of the concentration of a respiratory gas in an exhaled airflow from a patient, depending on the volume of air exhaled by the patient, as well as a data processing device as described above and below.

Bei dem medizintechnischen Gerät kann es sich beispielsweise um ein Beatmungsgerät zum invasiven und/oder nicht invasiven Beatmen eines Patienten und/oder um einen Überwachungsmonitor zum Überwachen von Vitalparametern eines Patienten handeln.The medical device could be, for example, a ventilator for invasive and/or non-invasive ventilation of a patient and/or a monitoring device for monitoring a patient's vital parameters.

Die Sensorik kann einen oder mehrere Gassensoren umfassen. Unter „Gassensor“ kann beispielsweise ein galvanischer, paramagnetischer oder optischer Sensor verstanden werden. Ein solcher Gassensor kann in einem Hauptstrom und/oder einem Nebenstrom der ausgeatmeten Atemluft angeordnet sein und/oder als Druck- und/oder Flusssensor ausgebildet sein.The sensor system can include one or more gas sensors. A "gas sensor" can be, for example, a galvanic, paramagnetic, or optical sensor. Such a gas sensor can be located in a main and/or sidestream of the exhaled air and/or be designed as a pressure and/or flow sensor.

Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein Computerprogramm und ein computerlesbares Medium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.Further aspects of the invention relate to a computer program and a computer-readable medium on which the computer program is stored.

Das Computerprogramm umfasst Befehle, die einen Prozessor (beispielsweise den Prozessor der vor- und nachstehend beschriebenen Datenverarbeitungsvorrichtung) beim Ausführen des Computerprogramms durch den Prozessor veranlassen, mindestens eines der vor- und nachstehend beschriebenen Verfahren auszuführen.The computer program includes instructions that, when the computer program is executed by the processor, cause a processor (for example, the processor of the data processing device described above and below) to perform at least one of the procedures described above and below.

Das computerlesbare Medium kann ein flüchtiger oder nicht flüchtiger Datenspeicher sein. Beispielsweise kann das computerlesbare Medium eine Festplatte, ein USB-Speichergerät (universal serial bus), ein RAM (random-access memory), ein ROM (read-only memory), ein EPROM (erasable programmable read-only memory), ein EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory), ein Flash-Speicher oder eine Kombination von mindestens zwei dieser Beispiele sein. Das computerlesbare Medium kann auch ein Datenkommunikationsnetzwerk, das das Herunterladen von Programmcode ermöglicht (z. B. über das Internet), oder eine Cloud sein.The computer-readable medium can be volatile or non-volatile data storage. For example, the computer-readable medium can be a hard drive, a USB (universal serial bus) storage device, RAM (random-access memory), ROM (read-only memory), EPROM (erasable programmable read-only memory), EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory), flash memory, or a combination thereof. It must be one of at least two of these examples. The computer-readable medium can also be a data communication network that allows the downloading of program code (e.g., via the internet), or a cloud.

Es wird darauf hingewiesen, dass Merkmale der vor- und nachstehend beschriebenen Verfahren auch Merkmale des Computerprogramms und/oder des computerlesbaren Mediums sein können (und umgekehrt).It should be noted that features of the procedures described above and below may also be features of the computer program and/or the computer-readable medium (and vice versa).

Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Diese Ausführungsformen sind nicht als Beschränkung des Umfangs der Erfindung zu verstehen.The following describes various embodiments of the invention. These embodiments are not to be understood as limiting the scope of the invention.

Gemäß einer Ausführungsform können die Messdaten den volumenabhängigen Verlauf bezogen auf einen einzelnen Atemzug des Patienten anzeigen. Anders ausgedrückt kann jedem Punkt des volumenabhängigen Verlaufs ein bestimmter Anteil eines bei einem einzelnen Atemzug vom Patienten ausgeatmeten Gesamtvolumens einer das Atemgas umfassenden Atemluft zugeordnet sein. Dementsprechend kann dem Anfang des volumenabhängigen Verlaufs ein Volumen von null und dem Ende des volumenabhängigen Verlaufs ein Volumen gleich dem Gesamtvolumen zugeordnet sein. Ein solches Gesamtvolumen kann auch als Atemzug- oder Tidalvolumen bezeichnet werden. Es ist möglich, dass die Messdaten während des einzelnen Atemzugs erzeugt wurden und/oder bei jedem Atemzug neu erzeugt und/oder neu empfangen werden.According to one embodiment, the measurement data can display the volume-dependent curve related to a single breath of the patient. In other words, each point of the volume-dependent curve can be assigned a specific fraction of the total volume of air containing the respiratory gas exhaled by the patient during a single breath. Accordingly, the beginning of the volume-dependent curve can be assigned a volume of zero, and the end of the volume-dependent curve a volume equal to the total volume. Such a total volume can also be referred to as the tidal volume. It is possible that the measurement data were generated during the single breath and/or are newly generated and/or received with each breath.

Mit anderen Worten können die Messdaten eine Reihe von Konzentrationswerten für die Konzentration des Atemgases im Atemluftstrom und eine Reihe von Volumenwerten für das Atemluftvolumen umfassen. Jeder Volumenwert kann ein Wert aus einem durch einen unteren Grenzwert und einen oberen Grenzwert begrenzten Wertebereich sein, wobei der untere Grenzwert null ist und der obere Grenzwert ein bei einem einzelnen Atemzug vom Patienten ausgeatmetes Gesamtvolumen anzeigt und jedem Konzentrationswert ein anderer Volumenwert zugeordnet ist.In other words, the measurement data can include a series of concentration values for the concentration of the respiratory gas in the airflow and a series of volume values for the respiratory air volume. Each volume value can be a value from a range bounded by a lower and an upper limit, where the lower limit is zero and the upper limit indicates the total volume exhaled by the patient in a single breath, with each concentration value corresponding to a different volume value.

Gemäß einer Ausführungsform können die Messdaten ferner einen dem volumenabhängigen Verlauf zugeordneten positiven endexspiratorischen Druck zum Beatmen des Patienten anzeigen. In diesem Fall können die Eingabedaten den positiven endexspiratorischen Druck umfassen und/oder unter Berücksichtigung des positiven endexspiratorischen Drucks erzeugt werden. Dies ermöglicht eine genauere Schätzung im Vergleich zu einer Ausführungsform ohne Berücksichtigung des positiven endexspiratorischen Drucks.According to one embodiment, the measurement data can further indicate a positive end-expiratory pressure (PEP) associated with the volume-dependent curve for ventilating the patient. In this case, the input data can include the PEP and/or be generated taking the PEP into account. This allows for a more accurate estimation compared to an embodiment that does not consider the PEP.

Gemäß einer Ausführungsform kann eine mathematische Funktion, die zumindest einen Abschnitt des volumenabhängigen Verlaufs näherungsweise definiert, unter Verwendung der Messdaten bestimmt werden. Dabei kann mindestens einer der Werte in der Matrix unter Verwendung der mathematischen Funktion berechnet werden. Mithilfe der mathematischen Funktion können geeignete Parameter auf vorhersehbare und transparente Weise bestimmt werden. Die mathematische Funktion kann eine einzelne mathematische Funktion oder eine Kombination mehrerer einzelner mathematischer Funktionen sein.According to one embodiment, a mathematical function that approximately defines at least one section of the volume-dependent curve can be determined using the measurement data. At least one of the values in the matrix can be calculated using this mathematical function. Suitable parameters can be determined in a predictable and transparent manner using this mathematical function. The mathematical function can be a single mathematical function or a combination of several individual mathematical functions.

Gemäß einer Ausführungsform können die Eingabedaten eine Matrix von Werten für 2 bis 20, 10 bis 20 oder 10 bis 15 verschiedene Parameter bezüglich des volumenabhängigen Verlaufs umfassen. Auf diese Weise kann der Verbrauch von Rechenressourcen im Vergleich zu einer Ausführungsform mit größeren Eingabematrizen deutlich verringert werden.According to one embodiment, the input data can comprise a matrix of values for 2 to 20, 10 to 20, or 10 to 15 different parameters relating to the volume-dependent curve. In this way, the consumption of computing resources can be significantly reduced compared to an embodiment with larger input matrices.

Unter „Parameter“ kann vor- und nachstehend ein für eine Beatmung eines Patienten relevanter Beatmungsparameter verstanden werden. Dabei kann jeder Wert in der Matrix einem der verschiedenen Parameter zugeordnet sein. Dementsprechend kann die Matrix je nach Anzahl der verschiedenen Parameter beispielsweise 2 bis 20, 10 bis 20 oder 10 bis 15 Eingabewerte umfassen. Die Matrix kann als ein ein-, zwei- oder dreidimensionaler Vektor aufgefasst werden. Beispielsweise kann das Machine-Learning-Modul konfiguriert sein, um diese Eingabewerte in einen einzigen Ausgabewert, der die Konzentration des Atemgases im Blut des Patienten anzeigt, umzuwandeln.The term "parameter" can refer to any ventilation parameter relevant to a patient's ventilation, both before and after the initial entry. Each value in the matrix can be assigned to one of the various parameters. Accordingly, depending on the number of different parameters, the matrix might contain, for example, 2 to 20, 10 to 20, or 10 to 15 input values. The matrix can be interpreted as a one-, two-, or three-dimensional vector. For example, the machine learning module could be configured to convert these input values into a single output value indicating the concentration of the respiratory gas in the patient's blood.

Gemäß einer Ausführungsform können die Messdaten in mehreren aufeinanderfolgenden Zeitschritten erzeugt worden sein. In diesem Fall kann die mathematische Funktion unter Verwendung der Messdaten aus verschiedenen Zeitschritten bestimmt werden, beispielsweise durch Regression. Ein einzelner Zeitschritt kann beispielsweise so lange wie ein einzelner Atemzug des Patienten dauern. Die jeweilige Dauer der Zeitschritte kann aber auch fest vorgegeben sein und/oder beispielsweise in einer Größenordnung von 1 ms, 10 ms, 100 ms, 1 s oder 10 s liegen.According to one embodiment, the measurement data may have been generated in several successive time steps. In this case, the mathematical function can be determined using the measurement data from different time steps, for example, by regression. A single time step could, for example, last as long as a single breath of the patient. However, the respective duration of the time steps can also be fixed and/or be, for example, on the order of 1 ms, 10 ms, 100 ms, 1 s, or 10 s.

Gemäß einer Ausführungsform kann die mathematische Funktion gemäß dem Levenberg-Marquardt-Algorithmus bestimmt werden. Unter „Levenberg-Marquardt-Algorithmus“ kann ein spezieller numerischer Optimierungsalgorithmus zur Lösung nicht linearer Ausgleichsprobleme mithilfe der Methode der kleinsten Quadrate verstanden werden. Der Algorithmus kann als eine Kombination des Gauß-Newton-Verfahrens mit einer Regularisierungstechnik, die absteigende Funktionswerte erzwingt, aufgefasst werden. Dies ermöglicht eine genauere und recheneffizientere Approximation als eine Implementierung der klassischen Fowler'schen Methode, und zwar auch bei stärkeren Schwankungen des volumenabhängigen Verlaufs zwischen aufeinanderfolgenden Atemzügen und/oder zwischen verschiedenen Patienten.According to one embodiment, the mathematical function can be determined using the Levenberg-Marquardt algorithm. The Levenberg-Marquardt algorithm can be understood as a special numerical optimization algorithm for solving nonlinear least-squares problems using the method of least squares. The algorithm can be described as a combination of the Gauss-Newton method with a regularization technique. This technique, which forces descending function values, can be understood as a more accurate and computationally efficient approximation than an implementation of the classical Fowler method, even with larger fluctuations in the volume-dependent curve between successive breaths and/or between different patients.

Gemäß einer Ausführungsform können die verschiedenen Parameter mindestens einen der folgenden Parameter umfassen: ein bei einem einzelnen Atemzug vom Patienten ausgeatmetes Gesamtvolumen des Atemgases; ein bei einem einzelnen Atemzug vom Patienten ausgeatmetes Gesamtvolumen einer das Atemgas umfassenden Atemluft (auch Atemzug- oder Tidalvolumen genannt); ein Atemminutenvolumen; eine alveoläre Ventilation; einen Atemwegstotraum; einen gemischt exspiratorischen Partialdruck des Atemgases; einen endtidalen Partialdruck des Atemgases; einen positiven endexspiratorischen Druck zum Beatmen des Patienten.According to one embodiment, the various parameters may include at least one of the following: a total volume of respiratory gas exhaled by the patient in a single breath; a total volume of respiratory air containing the respiratory gas exhaled by the patient in a single breath (also called tidal volume); a minute ventilation; alveolar ventilation; an airway dead space; a mixed expiratory partial pressure of the respiratory gas; an end-tidal partial pressure of the respiratory gas; a positive end-expiratory pressure for ventilating the patient.

Das Atemminutenvolumen kann als das Produkt des Atemzugvolumens und der Atemfrequenz aufgefasst werden.The minute volume can be understood as the product of the tidal volume and the respiratory rate.

Die alveoläre Ventilation (V̇A) kann als das Produkt der Atemfrequenz und der Differenz zwischen dem Atemzugvolumen und dem (anatomischen) Totraum aufgefasst werden.Alveolar ventilation (V̇ A ) can be understood as the product of the respiratory rate and the difference between the tidal volume and the (anatomical) dead space.

Unter „Atemwegstotraum“ kann allgemein ein Anteil des Atemzugvolumens verstanden werden, der bei jedem Atemzug in den luftleitenden Atemwegen verbleibt und somit das alveoläre Kompartiment nicht erreicht.The term "airway dead space" can generally be understood as a portion of the tidal volume that remains in the airways with each breath and thus does not reach the alveolar compartment.

Der endtidale Partialdruck des Atemgases kann als die Konzentration des Atemgases in dem vom Patienten ausgeatmeten Atemluftstrom am Ende eines einzelnen Atemzugs aufgefasst werden.The end-tidal partial pressure of the respiratory gas can be understood as the concentration of the respiratory gas in the patient's exhaled airflow at the end of a single breath.

Der gemischt exspiratorische Partialdruck des Atemgases kann als ein bestimmter Bruchteil des endtidalen Partialdrucks aufgefasst werden und/oder beispielsweise einer mittleren Konzentration des Atemgases in dem vom Patienten ausgeatmeten Atemluftstrom bei einem einzelnen Atemzug entsprechen.The mixed expiratory partial pressure of the respiratory gas can be understood as a specific fraction of the end-tidal partial pressure and/or, for example, as an average concentration of the respiratory gas in the airflow exhaled by the patient during a single breath.

Gemäß einer Ausführungsform kann der volumenabhängige Verlauf in mindestens drei aufeinanderfolgende charakteristische Ausatmungsphasen bei einem einzelnen Atemzug des Patienten unterteilt werden. In diesem Fall können die verschiedenen Parameter mindestens einen der folgenden Parameter umfassen: ein erstes Atemgasvolumen als ein in einer ersten (beispielsweise frühesten) der Ausatmungsphasen vom Patienten ausgeatmetes Volumen des Atemgases; ein zweites Atemgasvolumen als ein in einer zweiten (beispielsweise mittleren) der Ausatmungsphasen vom Patienten ausgeatmetes Volumen des Atemgases; ein drittes Atemgasvolumen als ein in einer dritten (beispielsweise letzten oder vorletzten) der Ausatmungsphasen vom Patienten ausgeatmetes Volumen des Atemgases; eine (beispielsweise durchschnittliche) Steigung des volumenabhängigen Verlaufs in mindestens einer der Ausatmungsphasen, insbesondere in einer letzten (oder vorletzten) der Ausatmungsphasen.According to one embodiment, the volume-dependent curve can be divided into at least three successive characteristic exhalation phases during a single breath of the patient. In this case, the various parameters can include at least one of the following: a first respiratory gas volume as a volume of respiratory gas exhaled by the patient in a first (e.g., earliest) of the exhalation phases; a second respiratory gas volume as a volume of respiratory gas exhaled by the patient in a second (e.g., middle) of the exhalation phases; a third respiratory gas volume as a volume of respiratory gas exhaled by the patient in a third (e.g., last or penultimate) of the exhalation phases; an (e.g., average) slope of the volume-dependent curve in at least one of the exhalation phases, in particular in a last (or penultimate) of the exhalation phases.

Die mittlere Ausatmungsphase kann als eine zeitlich zwischen der frühesten und der letzten (oder vorletzten) Ausatmungsphase liegende Ausatmungsphase aufgefasst werden. Es ist möglich, dass die erste Ausatmungsphase unmittelbar in die zweite Ausatmungsphase und/oder die zweite Ausatmungsphase unmittelbar in die dritte Ausatmungsphase übergeht.The middle exhalation phase can be understood as an exhalation phase that lies between the earliest and the last (or penultimate) exhalation phase. It is possible that the first exhalation phase transitions directly into the second exhalation phase and/or the second exhalation phase transitions directly into the third exhalation phase.

Unter „Steigung“ kann eine (beispielsweise durchschnittliche) Änderungsrate der Konzentration des Atemgases im Atemgasstrom bezogen auf die jeweilige(n) Ausatmungsphase(n) verstanden werden. Die Steigung kann zusätzlich in geeigneter Weise normiert werden, um eine normierte Steigung zu erhalten, die dann als einer der Parameter verwendet werden kann.The term "slope" can be understood as a (for example, average) rate of change in the concentration of the breathing gas in the breathing gas stream, related to the respective exhalation phase(s). The slope can also be appropriately normalized to obtain a normalized slope, which can then be used as one of the parameters.

Die Ausatmungsphasen können beispielsweise mithilfe der vorgenannten mathematischen Funktion und/oder entsprechend der Fowler'schen Methode bestimmt worden sein. Bei den Ausatmungsphasen kann es sich um die typischen (drei oder vier) Phasen eines volumetrischen Kapno- oder Oxigramms handeln. Die Ausatmungsphasen können sich signifikant in ihrer Länge und/oder in der (beispielsweise durchschnittlichen) Steigung des volumenabhängigen Verlaufs voneinander unterscheiden.The exhalation phases may have been determined, for example, using the aforementioned mathematical function and/or according to Fowler's method. These exhalation phases may be the typical (three or four) phases of a volumetric capnogram or oxigram. The exhalation phases may differ significantly in their length and/or in the (e.g., average) slope of the volume-dependent curve.

Beispielsweise kann im Fall eines Kapnogramms die erste Ausatmungsphase vom Beginn der Ausatmung bis zu einem ersten Punkt reichen, an dem die Änderungsrate der zweiten Ableitung des volumenabhängigen Verlaufs ihr Maximum erreicht bzw. die dritte Ableitung des volumenabhängigen Verlaufs ihr linksseitiges Maximum erreicht. Die zweite Ausatmungsphase kann vom ersten Punkt bis zu einem zweiten Punkt reichen, an dem die dritte Ableitung des volumenabhängigen Verlaufs ihr rechtsseitiges Maximum erreicht. Die dritte Ausatmungsphase kann vom zweiten Punkt bis zum Ende der Ausatmung reichen. Unter dem Begriff „volumenabhängiger Verlauf“ kann hier auch eine Approximation, beispielsweise in Form der vorgenannten mathematischen Funktion, verstanden werden.For example, in the case of a capnogram, the first exhalation phase can extend from the beginning of exhalation to a first point where the rate of change of the second derivative of the volume-dependent curve reaches its maximum, or where the third derivative of the volume-dependent curve reaches its left-hand maximum. The second exhalation phase can extend from the first point to a second point where the third derivative of the volume-dependent curve reaches its right-hand maximum. The third exhalation phase can extend from the second point to the end of exhalation. The term "volume-dependent curve" can also refer to an approximation, for example, in the form of the aforementioned mathematical function.

Bei der ersten Ausatmungsphase kann es sich um die früheste Phase der Ausatmung (10 % bis 12 % des gesamten Atemzugs) handeln, in der kaum oder kein Kohlendioxid in der Atemluft enthalten ist. Bei der zweiten Ausatmungsphase kann es sich um eine Phase des größten (durchschnittlichen) Anstiegs der Kohlendioxidkonzentration im Atemluftstrom handeln (15 % bis 18 % des gesamten Atemzugs). Bei der dritten Ausatmungsphase kann es sich um eine Phase handeln, in der die Kohlendioxidkonzentration im Atemluftstrom - im Gegensatz zu den vorangehenden Ausatmungsphasen - überwiegend durch die aus den Alveolen kommenden Gase bestimmt wird (70 % bis 75 % des gesamten Atemzugs).The first exhalation phase can be the earliest phase of exhalation (10% to 12% of the total breath), in which there is little or no carbon dioxide in the exhaled air. The second exhalation phase can be the phase of the greatest (average) increase in the carbon dioxide concentration in the exhaled airstream (15% to 18% of the total breath). The third exhalation phase can be a phase in which the carbon dioxide concentration in the exhaled airstream—in contrast to the preceding exhalation phases—is predominantly determined by gases coming from the alveoli (70% to 75% of the total breath).

Gemäß einer Ausführungsform kann mindestens ein normiertes Atemgasvolumen durch Dividieren eines der drei Atemgasvolumen durch ein bei dem einzelnen Atemzug vom Patienten ausgeamtetes Gesamtvolumen (des Atemgases oder einer das Atemgas umfassenden Atemluft) bestimmt werden. In diesem Fall können die Parameter das mindestens eine normierte Atemgasvolumen zusätzlich oder alternativ zum jeweiligen (nicht normierten) ersten, zweiten bzw. dritten Atemgasvolumen umfassen.According to one embodiment, at least one normalized respiratory gas volume can be determined by dividing one of the three respiratory gas volumes by the total volume (of respiratory gas or of air containing respiratory gas) exhaled by the patient during a single breath. In this case, the parameters can include the at least one normalized respiratory gas volume in addition to or as an alternative to the respective (non-normalized) first, second, or third respiratory gas volume.

Gemäß einer Ausführungsform kann das Machine-Learning-Modul ein künstliches neuronales Netz umfassen. Dementsprechend kann es sich bei den Gewichten des Machine-Learning-Moduls um Gewichte des künstlichen neuronalen Netzes handeln. Das künstliche neuronale Netz kann eine Eingabeschicht zum Eingeben der Eingabedaten, eine Ausgabeschicht zum Ausgeben der Ausgabedaten und mindestens eine trainierbare Zwischenschicht zwischen der Eingabeschicht und der Ausgabeschicht umfassen. Das künstliche neuronale Netz kann beispielsweise mindestens einen der folgenden Netztypen umfassen: ein mehrlagiges Perzeptron, ein Deep Neural Network (DNN), ein Convolutional Neural Network (CNN), ein Recurrent Neural Network (RNN), ein Long Short-Term Memory (LSTM). Beispielsweise kann das künstliche neuronale Netz höchstens 30, höchstens 15 oder höchstens 5 trainierbare Zwischenschichten umfassen. Eine derartige Netzarchitektur ist besonders recheneffizient und ermöglicht dennoch eine ausreichend genaue Schätzung.According to one embodiment, the machine learning module can comprise an artificial neural network. Accordingly, the weights of the machine learning module can be weights of the artificial neural network. The artificial neural network can include an input layer for inputting the input data, an output layer for outputting the output data, and at least one trainable intermediate layer between the input and output layers. For example, the artificial neural network can include at least one of the following network types: a multilayer perceptron, a deep neural network (DNN), a convolutional neural network (CNN), a recurrent neural network (RNN), or a long short-term memory (LSTM). For example, the artificial neural network can include at most 30, at most 15, or at most 5 trainable intermediate layers. Such a network architecture is particularly computationally efficient and yet enables sufficiently accurate estimation.

Gemäß einer Ausführungsform kann das künstliche neuronale Netz als ein adaptives Neuro-Fuzzy-Inferenzsystem (ANFIS) implementiert sein. Ein solches Inferenzsystem kann auf einem Takagi-Sugeno-Regler und/oder Tsukamoto-Regler basieren und/oder eine Reihe von Fuzzy-If-Then-Regeln umfassen, die trainiert werden können, um nicht lineare Funktionen zu approximieren. Die Architektur des ANFIS kann beispielsweise fünf Schichten umfassen, darunter eine sogenannte Fuzzification-Schicht als einer ersten der fünf Schichten. Diese Ausführungsform ermöglicht es, die Vorteile eines künstlichen neuronalen Netzes mit den Vorteilen einer Fuzzylogik in einem einzigen Framework zu vereinen.According to one embodiment, the artificial neural network can be implemented as an adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS). Such an inference system can be based on a Takagi-Sugeno controller and/or a Tsukamoto controller and/or include a set of fuzzy if-then rules that can be trained to approximate nonlinear functions. The architecture of the ANFIS can, for example, include five layers, including a so-called fuzzification layer as one of the first of the five layers. This embodiment makes it possible to combine the advantages of an artificial neural network with the advantages of fuzzy logic in a single framework.

Gemäß einer Ausführungsform können die Messdaten mindestens erste Messdaten und zweite Messdaten umfassen. In diesem Fall können die ersten Messdaten einen volumenabhängigen Verlauf einer Konzentration eines ersten Atemgases im Atemluftstrom abhängig vom Atemluftvolumen anzeigen und die zweiten Messdaten einen volumenabhängigen Verlauf einer Konzentration eines vom ersten Atemgas abweichenden zweiten Atemgases im Atemluftstrom abhängig vom Atemluftvolumen anzeigen. Dementsprechend können die Ausgabedaten eine Konzentration des ersten Atemgases und des zweiten Atemgases im Blut des Patienten anzeigen. Diese Ausführungsform ermöglicht die gleichzeitige Schätzung der Konzentrationen verschiedener Atemgase im Blut des Patienten, beispielsweise von Kohlendioxid und Sauerstoff.According to one embodiment, the measurement data can include at least first and second measurement data. In this case, the first measurement data can show a volume-dependent profile of the concentration of a first respiratory gas in the inhaled airflow as a function of the inhaled air volume, and the second measurement data can show a volume-dependent profile of the concentration of a second respiratory gas in the inhaled airflow, which differs from the first, as a function of the inhaled air volume. Accordingly, the output data can show the concentration of the first and second respiratory gases in the patient's blood. This embodiment allows for the simultaneous estimation of the concentrations of different respiratory gases in the patient's blood, for example, carbon dioxide and oxygen.

Gemäß einer Ausführungsform können die Eingabedaten aus den ersten Messdaten erzeugte erste Eingabedaten und aus den zweiten Messdaten erzeugte zweite Eingabedaten umfassen. Dabei können die ersten Eingabedaten in ein erstes künstliches neuronales Netz eingegeben werden und es können erste Ausgabedaten, die die Konzentration des ersten Atemgases im Blut des Patienten anzeigen, durch das erste künstliche neuronale Netz ausgegeben werden. Analog dazu können die zweiten Eingabedaten in ein zweites künstliches neuronales Netz eingegeben werden und es können zweite Ausgabedaten, die die Konzentration des zweiten Atemgases im Blut des Patienten anzeigen, durch das zweite künstliche neuronale Netz ausgegeben werden. Dementsprechend können die Ausgabedaten die ersten Ausgabedaten und die zweiten Ausgabedaten umfassen. Bei den Gewichten des Machine-Learning-Moduls kann es sich beispielsweise um Gewichte des ersten bzw. zweiten künstlichen neuronalen Netzes handeln. Die zwei künstlichen neuronalen Netze können in ihrer Architektur und/oder in ihren Gewichten voneinander abweichen oder miteinander übereinstimmen und/oder getrennt voneinander trainiert worden sein. Beispielsweise kann mindestes eines oder jedes der zwei künstlichen neuronalen Netze in seiner Architektur mit dem vorstehend beschriebenen Netz übereinstimmen und/oder als ein adaptives Neuro-Fuzzy-Inferenzsystem implementiert sein. Alternativ können die ersten und die zweiten Eingabedaten in ein gemeinsames künstliches neuronales Netz, beispielsweise in das vorstehend beschriebene Netz, eingegeben werden.According to one embodiment, the input data can include first input data generated from the first measurement data and second input data generated from the second measurement data. The first input data can be fed into a first artificial neural network, and the first output data, indicating the concentration of the first exhaled gas in the patient's blood, can be output by the first artificial neural network. Similarly, the second input data can be fed into a second artificial neural network, and the second output data, indicating the concentration of the second exhaled gas in the patient's blood, can be output by the second artificial neural network. Accordingly, the output data can include both the first and second output data. The weights of the machine learning module can, for example, be weights of the first and second artificial neural networks, respectively. The two artificial neural networks can differ from each other in their architecture and/or weights, or they can be identical and/or have been trained separately. For example, at least one or each of the two artificial neural networks can be architecturally identical to the network described above and/or implemented as an adaptive neuro-fuzzy inference system. Alternatively, the first and second input data can be fed into a common artificial neural network, such as the one described above.

Beispielsweise können die ersten Eingabedaten eine Matrix erster Werte für verschiedene erste Parameter bezüglich des volumenabhängigen Verlaufs der ersten Messdaten umfassen und/oder die zweiten Eingabedaten eine Matrix zweiter Werte für verschiedene zweite Parameter bezüglich des volumenabhängigen Verlaufs der zweiten Messdaten umfassen. Die ersten Parameter können in ihrer Anzahl und/oder ihrem Typ mit den zweiten Parametern übereinstimmen und/oder von den zweiten Parametern abweichen. Es ist möglich, dass mindestens einer der ersten Werte unter Verwendung einer ersten mathematischen Funktion, die zumindest einen Abschnitt des volumenabhängigen Verlaufs der ersten Messdaten (beispielsweise aus verschiedenen Zeitschritten) näherungsweise definiert, bestimmt wird und/oder mindestens einer der zweiten Werte unter Verwendung einer zweiten mathematischen Funktion, die zumindest einen Abschnitt des volumenabhängigen Verlaufs der zweiten Messdaten (beispielsweise aus verschiedenen Zeitschritten) näherungsweise definiert, bestimmt wird.For example, the initial input data could be a matrix of initial values for different The first parameters may include those relating to the volume-dependent behavior of the first measurement data, and/or the second input data may comprise a matrix of two values for different second parameters relating to the volume-dependent behavior of the second measurement data. The first parameters may be the same number and/or type as the second parameters, and/or they may differ from the second parameters. It is possible that at least one of the first values is determined using a first mathematical function that approximately defines at least one section of the volume-dependent behavior of the first measurement data (e.g., from different time steps), and/or that at least one of the second values is determined using a second mathematical function that approximately defines at least one section of the volume-dependent behavior of the second measurement data (e.g., from different time steps).

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Weder die Beschreibung noch die Zeichnungen sind als Beschränkung des Umfangs der Erfindung zu verstehen.

  • 1 zeigt ein Beatmungsgerät gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 2 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Schätzen einer Konzentration eines Atemgases im Blut eines Patienten.
  • 3 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Trainieren eines Machine-Learning-Moduls für ein Beatmungsgerät.
  • 4 zeigt ein Kapnogramm zur Verwendung in einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 5 zeigt ein Machine-Learning-Modul zur Verwendung in einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 6 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung der Erzeugung von Trainingsdatensätzen in einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
The following describes embodiments of the invention with reference to the accompanying drawings. Neither the description nor the drawings are to be understood as limiting the scope of the invention.
  • 1 shows a ventilator according to an embodiment of the invention.
  • 2 Figure 1 shows a flowchart illustrating one embodiment of a method for estimating the concentration of a respiratory gas in a patient's blood.
  • 3 shows a flowchart illustrating one embodiment of a method for training a machine learning module for a ventilator.
  • 4 shows a capnogram for use in a method according to an embodiment of the invention.
  • 5 shows a machine learning module for use in a method according to an embodiment of the invention.
  • 6 Figure 1 shows a flowchart to illustrate the generation of training data sets in a method according to an embodiment of the invention.

Die Figuren sind rein schematisch und nicht maßstabsgetreu. Werden in verschiedenen Zeichnungen gleiche Bezugszeichen verwendet, so bezeichnen diese Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Merkmale.The figures are purely schematic and not to scale. If the same reference symbols are used in different drawings, these reference symbols denote identical or equivalent features.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt ein Beatmungsgerät 1 zum invasiven und/oder nicht invasiven Beatmen eines Patienten. Das Beatmungsgerät 1 umfasst eine Sensorik 3 zum Erzeugen von Messdaten 5 und eine Datenverarbeitungsvorrichtung 7 mit einem Speicher 9 und einem Prozessor 11, der konfiguriert ist, um ein im Speicher 9 gespeichertes Computerprogramm zum Verarbeiten der Messdaten 5 in mindestens einem der nachstehend beschriebenen Verfahren auszuführen. 1 Figure 1 shows a ventilator 1 for invasive and/or non-invasive ventilation of a patient. The ventilator 1 comprises a sensor 3 for generating measurement data 5 and a data processing device 7 with a memory 9 and a processor 11 configured to execute a computer program stored in the memory 9 for processing the measurement data 5 in at least one of the methods described below.

Die Messdaten 5 definieren einen volumenabhängigen Verlauf 13 (siehe 4) einer Konzentration eines Atemgases (z. B. pCO2) in einem vom Patienten ausgeatmeten Atemluftstrom abhängig von einem vom Patienten ausgeatmeten Atemluftvolumen.The measurement data 5 define a volume-dependent trend 13 (see 4 ) a concentration of a respiratory gas (e.g. pCO2 ) in a patient's exhaled airflow depending on the patient's exhaled air volume.

Insbesondere können die Messdaten 5 den volumenabhängigen Verlauf 13 bezogen auf einen einzelnen Atemzug des Patienten anzeigen. Zudem ist es möglich, dass die Messdaten 5 einen dem volumenabhängigen Verlauf 13 zugeordneten positiven endexspiratorischen Druck (kurz PEEP) zum Beatmen des Patienten anzeigen. In particular, the measurement data 5 can display the volume-dependent curve 13 related to a single breath of the patient. Furthermore, it is possible for the measurement data 5 to display a positive end-expiratory pressure (PEEP) for ventilating the patient, corresponding to the volume-dependent curve 13.

Beispielsweise können die Messdaten 5 - wie in 4 gezeigt - ein durch volumetrische Kapnographie nicht invasiv erzeugtes Kapnogramm codieren, das den volumenabhängigen Verlauf 13 der Konzentration von Kohlendioxid als dem Atemgas anzeigt. Zusätzlich oder alternativ können die Messdaten 5 ein durch volumetrische Oxigraphie nicht invasiv erzeugtes Oxigramm codieren, das den volumenabhängigen Verlauf 13 der Konzentration von Sauerstoff als dem Atemgas anzeigt.For example, the measurement data 5 - as in 4 shown – a capnogram generated non-invasively by volumetric capnography, indicating the volume-dependent course 13 of the concentration of carbon dioxide as the breathing gas. Additionally or alternatively, the measurement data 5 can encode an oxigram generated non-invasively by volumetric oxigraphy, indicating the volume-dependent course 13 of the concentration of oxygen as the breathing gas.

2 zeigt ein Beispiel für ein Verfahren zum Schätzen der Konzentration des Atemgases im Blut des Patienten. Das Verfahren wird von der Datenverarbeitungsvorrichtung 7 ausgeführt und umfasst die folgenden Schritte. 2 Figure 1 shows an example of a procedure for estimating the concentration of the respiratory gas in the patient's blood. The procedure is executed by the data processing device 7 and comprises the following steps.

In einem Schritt 200 werden die Messdaten 5 empfangen.In step 200, the measurement data 5 are received.

In einem Schritt 202 werden Eingabedaten 14 aus den Messdaten 5 erzeugt (siehe auch 5). Die Eingabedaten 14 umfassen eine Matrix von Werten für verschiedene Parameter bezüglich des volumenabhängigen Verlaufs 13.In step 202, input data 14 is generated from the measurement data 5 (see also 5 ). The input data 14 comprise a matrix of values for various parameters regarding the volume-dependent trend 13.

In einem Schritt 204 werden die Eingabedaten 14 in ein Machine-Learning-Modul 15 eingegeben, das trainiert wurde, um die Eingabedaten 14 in Ausgabedaten 17 umzuwandeln, die die (geschätzte) Konzentration des Atemgases im Blut des Patienten anzeigen (unter „Modul“ kann vor- und nachstehend ein Soft- und/oder Hardwaremodul verstanden werden). Beispielsweise können die Ausgabedaten 17 einen Schätzwert für den arteriellen Kohlendioxidpartialdruck (paCO2) und/oder einen Schätzwert für den arteriellen Sauerstoffpartialdruck (paO2) umfassen.In step 204, the input data 14 are fed into a machine learning module 15, which has been trained to convert the input data 14 into output data 17 that indicate the (estimated) concentration of the respiratory gas in the patient's blood (under "module" the following can be pre- and below, a software and/or hardware module). For example, the output data 17 may include an estimate for the arterial partial pressure of carbon dioxide ( pa CO2 ) and/or an estimate for the arterial partial pressure of oxygen ( pa O2 ).

In einem Schritt 206 werden die Ausgabedaten 17 durch das Machine-Learning-Modul 15 ausgegeben.In step 206, the output data 17 is output by the machine learning module 15.

Anschließend können die Ausgabedaten 17 zusätzlich weiterverarbeitet werden, beispielsweise um die Ausgabedaten 17 in geeigneter Weise auf einem Display des Beatmungsgeräts 1 anzuzeigen und/oder über eine drahtlose und/oder drahtgebundene Datenkommunikationsverbindung an ein externes Gerät wie z. B. einen Server, einen PC, einen Laptop, ein Tablet, ein Smartphone oder eine Smartwatch zu senden.The output data 17 can then be further processed, for example to display the output data 17 in a suitable manner on a display of the ventilator 1 and/or to send it via a wireless and/or wired data communication connection to an external device such as a server, a PC, a laptop, a tablet, a smartphone or a smartwatch.

3 zeigt ein Beispiel für ein Verfahren zum Trainieren des Machine-Learning-Moduls 15. Es ist möglich, dass das Verfahren ebenfalls von der Datenverarbeitungsvorrichtung 7 ausgeführt wird. Zusätzlich oder alternativ kann das Verfahren von einer anderen Datenverarbeitungsvorrichtung außerhalb des Beatmungsgeräts 1 ausgeführt werden. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte. 3 Figure 1 shows an example of a procedure for training the machine learning module 15. It is possible for the procedure to also be executed by the data processing device 7. Additionally or alternatively, the procedure can be executed by another data processing device outside of the ventilator 1. The procedure comprises the following steps.

In einem Schritt 300 werden mehrere Messdatensätze 19, die jeweils die Messdaten 5 umfassen, empfangen (siehe auch 6). Die Messdaten 5 der verschiedenen Messdatensätze 19 sind zumindest teilweise verschiedenen Patienten 21 zugeordnet. Beispielsweise können die Messdatensätze 19 beim maschinellen Beatmen der Patienten 21 in mehreren kontrollierten Beatmungsschritten 23 einer bestimmten Länge von z. B. 2 min, 5 min oder 10 min erzeugt worden sein. Dabei kann jeder Messdatensatz 19 die Messdaten 5 für genau einen Atemzug des jeweiligen Patienten 21 umfassen.In step 300, several measurement data sets 19, each comprising the measurement data 5, are received (see also 6 The measurement data 5 of the various measurement data sets 19 are at least partially assigned to different patients 21. For example, the measurement data sets 19 may have been generated during mechanical ventilation of the patients 21 in several controlled ventilation steps 23 of a specific duration, e.g., 2 min, 5 min, or 10 min. Each measurement data set 19 may contain the measurement data 5 for exactly one breath of the respective patient 21.

In einem Schritt 302 werden aus den Messdatensätzen 19 der verschiedenen Patienten 21 mehrere Trainingsdatensätze 25 erzeugt, wobei jeder Trainingsdatensatz 25 einem der Patienten 21 zugeordnet ist und eine Matrix von Werten für verschiedene Parameter bezüglich des jeweiligen volumenabhängigen Verlaufs 13 umfasst. Die Trainingsdatensätze 25 können beispielsweise durch ein geeignet konfiguriertes Auswahlmodul 27, das als ein weiteres Machine-Learning-Modul implementiert sein kann, erzeugt werden. Es ist möglich, dass zum Erzeugen der Trainingsdatensätze 25 nur Messdatensätze 19 verwendet werden, die jeweils in einem bestimmten Zeitabschnitt der Beatmungsschritte 23 erzeugt wurden, beispielsweise in der letzten Minute, wie in 6 gezeigt. Bei einer kontrollierten Atemzugdauer von 2 s resultieren somit 30 Messdatensätze pro Beatmungsschritt 23 eines jeden Patienten 21. Aus jedem dieser Messdatensätze 19 kann dann beispielsweise ein Trainingsdatensatz 25 erzeugt werden.In step 302, several training datasets 25 are generated from the measurement datasets 19 of the various patients 21, with each training dataset 25 being assigned to one of the patients 21 and comprising a matrix of values for various parameters relating to the respective volume-dependent course 13. The training datasets 25 can be generated, for example, by a suitably configured selection module 27, which can be implemented as another machine learning module. It is possible that only measurement datasets 19, each generated in a specific time period of the ventilation steps 23, for example, in the last minute, as in 6 shown. With a controlled breath duration of 2 s, this results in 30 measurement data sets per ventilation step 23 for each patient 21. From each of these measurement data sets 19, for example, a training data set 25 can then be generated.

In einem Schritt 304 wird jeder Trainingsdatensatz 25 als Eingabedaten 14 in das Machine-Learning-Modul 15 eingegeben. Das Machine-Learning-Modul 15 wandelt die Eingabedaten 14 in Ausgabedaten 17 um, die die (geschätzte) Konzentration des Atemgases im Blut des jeweiligen Patienten 21 anzeigen.In step 304, each training data set 25 is entered as input data 14 into the machine learning module 15. The machine learning module 15 converts the input data 14 into output data 17, which displays the (estimated) concentration of the respiratory gas in the blood of the respective patient 21.

In einem Schritt 306 werden die Ausgabedaten 17 durch das Machine-Learning-Modul 15 ausgegeben.In step 306, the output data 17 is output by the machine learning module 15.

In einem Schritt 308 wird eine Abweichung der Ausgabedaten 17 von Zieldaten 29, die dem jeweiligen Trainingsdatensatz 25 bzw. den jeweiligen Eingabedaten 14 zugeordnet sind, bestimmt.In step 308, a deviation of the output data 17 from target data 29, which are assigned to the respective training data set 25 or the respective input data 14, is determined.

In einem Schritt 310 werden schließlich die Gewichte des Machine-Learning-Moduls 15 in einem Optimierungsverfahren angepasst, um die Abweichung zu verringern, beispielsweise in einem Gradientenverfahren mit Backpropagation.Finally, in step 310, the weights of the machine learning module 15 are adjusted in an optimization procedure to reduce the deviation, for example in a gradient method with backpropagation.

Die Schritte 308, 310 können beispielsweise durch ein geeignet konfiguriertes Optimierungsmodul 31 ausgeführt werden.Steps 308 and 310 can, for example, be performed by a suitably configured optimization module 31.

Zweckmäßigerweise wird das Machine-Learning-Modul 15 in mehreren aufeinanderfolgenden Zeitschritten trainiert, bis die Abweichung einen akzeptablen Wert erreicht. Dabei können beispielsweise in jedem Zeitschritt die Schritte 304 bis 310 ausgeführt werden.It is advisable to train machine learning module 15 in several consecutive time steps until the deviation reaches an acceptable value. For example, steps 304 to 310 can be executed in each time step.

Wie in 5 und 6 gezeigt, kann die Matrix ein eindimensionaler Vektor sein und/oder Werte für mindestens 2, mindestens 5, mindestens 10 verschiedene Parameter, insbesondere für 11 oder 12 verschiedene Parameter, umfassen. Die Anzahl der Parameter sollte nicht zu groß sein, beispielsweise nicht größer als 15, 20 oder 30, um den Verbrauch von Rechenressourcen niedrig zu halten. Die Anzahl der Werte in der Matrix kann mit der Anzahl der verschiedenen Parameter übereinstimmen, d. h., jeder Wert in der Matrix kann genau einen der verschiedenen Parameter definieren.As in 5 and 6 As shown, the matrix can be a one-dimensional vector and/or include values for at least 2, at least 5, at least 10 different parameters, and especially for 11 or 12 different parameters. The number of parameters should not be too large, for example, not greater than 15, 20, or 30, to keep the consumption of computing resources low. The number of values in the matrix can match the number of different parameters; that is, each value in the matrix can define exactly one of the different parameters.

Die verschiedenen Parameter können je nach Ausführungsform mindestens einen der folgenden Parameter in Bezug auf den jeweiligen Patienten umfassen (siehe auch 4): ein bei einem einzelnen Atemzug vom Patienten ausgeatmetes Gesamtvolumen des Atemgases; ein bei einem einzelnen Atemzug vom Patienten ausgeatmetes Gesamtvolumen einer das Atemgas umfassenden Atemluft, auch Atemzug- oder Tidalvolumen genannt (VT); ein Atemminutenvolumen; eine alveoläre Ventilation; einen Atemwegstotraum (VDaw); einen gemischt exspiratorischen Partialdruck des Atemgases (z. B. pCO2); einen endtidalen Partialdruck des Atemgases (z. B. petCO2); einen positiven endexspiratorischen Druck zum Beatmen des Patienten.Depending on the specific design, the various parameters may include at least one of the following parameters relating to the individual patient (see also 4 ): a total volume of respiratory gas exhaled by the patient in a single breath; a total volume of respiratory air containing the respiratory gas exhaled by the patient in a single breath, also Tidal volume (V <sub>T</sub> ); minute volume; alveolar ventilation; airway dead space (V<sub>Daw</sub>); mixed expiratory partial pressure of the respiratory gas (e.g., p<sub>E̅</sub>CO<sub>2</sub>); end-tidal partial pressure of the respiratory gas (e.g., p<sub>et</sub>CO<sub>2</sub>); positive end-expiratory pressure for ventilating the patient.

Zudem kann der volumenabhängige Verlauf 13 der jeweiligen Messdaten 5 in mindestens drei aufeinanderfolgende charakteristische Ausatmungsphasen bei einem einzelnen Atemzug des jeweiligen Patienten unterteilt werden. In diesem Fall können die verschiedenen Parameter mindestens einen der folgenden Parameter umfassen: ein erstes Atemgasvolumen als ein in einer ersten Ausatmungsphase I vom Patienten ausgeatmetes Volumen des Atemgases; ein zweites Atemgasvolumen als ein in einer zweiten Ausatmungsphase II vom Patienten ausgeatmetes Volumen des Atemgases; ein drittes Atemgasvolumen als ein in einer dritten Ausatmungsphase III vom Patienten ausgeatmetes Volumen des Atemgases; eine durchschnittliche Steigung des volumenabhängigen Verlaufs 13 in mindestens einer der Ausatmungsphasen I, II, III, insbesondere in der dritten Ausatmungsphase III.Furthermore, the volume-dependent curve 13 of the respective measurement data 5 can be subdivided into at least three consecutive characteristic exhalation phases during a single breath of the respective patient. In this case, the various parameters can include at least one of the following: a first respiratory gas volume as a volume of respiratory gas exhaled by the patient in a first exhalation phase I; a second respiratory gas volume as a volume of respiratory gas exhaled by the patient in a second exhalation phase II; a third respiratory gas volume as a volume of respiratory gas exhaled by the patient in a third exhalation phase III; an average slope of the volume-dependent curve 13 in at least one of the exhalation phases I, II, III, particularly in the third exhalation phase III.

Optional können die drei Atemgasvolumen jeweils durch Dividieren durch das Atemzugvolumen normiert werden. In diesem Fall können die verschiedenen Parameter das jeweilige normierte Atemgasvolumen umfassen.Optionally, the three respiratory gas volumes can each be normalized by dividing by the tidal volume. In this case, the various parameters can encompass the respective normalized respiratory gas volume.

Die Werte für diese Parameter können zumindest teilweise unter Verwendung einer speziellen mathematischen Funktion 33 aus den Messdaten 5 berechnet werden. Die mathematische Funktion 33 kann auch dazu verwendet werden, die drei Ausatmungsphasen I, II, III zu ermitteln. Alternativ können die verschiedenen Parameter zumindest teilweise unter Verwendung eines zusätzlichen Machine-Learning-Moduls bestimmt werden.The values for these parameters can be calculated, at least partially, from the measurement data 5 using a special mathematical function 33. The mathematical function 33 can also be used to determine the three exhalation phases I, II, and III. Alternatively, the various parameters can be determined, at least partially, using an additional machine learning module.

Bei der mathematischen Funktion 33 kann es sich um eine Approximation zumindest eines Abschnitts des volumenabhängigen Verlaufs 13 handeln. Die Approximation kann beispielsweise durch eine Regressionsanalyse von Messdaten 5, die in mehreren aufeinanderfolgenden Zeitschritten, z. B. bei mehreren Atemzügen, in Bezug auf einen Patienten erzeugt wurden, bestimmt werden. Eine besonders genaue und recheneffiziente Approximation kann erreicht werden, wenn die mathematische Funktion 33 gemäß dem Levenberg-Marquardt-Algorithmus bestimmt wird.The mathematical function 33 can be an approximation of at least one segment of the volume-dependent curve 13. This approximation can be determined, for example, by a regression analysis of measurement data 5 acquired in several successive time steps, e.g., over multiple breaths, with respect to a patient. A particularly accurate and computationally efficient approximation can be achieved if the mathematical function 33 is determined according to the Levenberg-Marquardt algorithm.

Das Machine-Learning-Modul 15 kann beispielsweise als ein künstliches neuronales Netz 35 (siehe 5) mit einer Eingabeschicht 37 zum Eingeben der Eingabedaten 14, einer Ausgabeschicht 39 zum Ausgeben der Ausgabedaten 17 und mindestens einer trainierbaren Zwischenschicht 41 zum Umwandeln der Eingabedaten 14 in die Ausgabedaten 17 implementiert sein. Alternativ kann das Machine-Learning-Modul 15 als eine Kombination mehrerer künstlicher neuronaler Netze implementiert sein. Möglich sind auch andere Machine-Learning-Algorithmen wie z. B. ein Entscheidungsbaum, ein Random Forest, ein k-nächste-Nachbarn-Algorithmus, eine Support-Vector-Maschine, ein Bayes-Klassifikator, ein k-Means-Algorithmus, ein genetischer Algorithmus, ein Kernelregressionsalgorithmus oder ein Diskriminanzanalyse-Algorithmus.The machine learning module 15 can, for example, be considered an artificial neural network 35 (see 5 The machine learning module 15 can be implemented with an input layer 37 for inputting the input data 14, an output layer 39 for outputting the output data 17, and at least one trainable intermediate layer 41 for converting the input data 14 into the output data 17. Alternatively, the machine learning module 15 can be implemented as a combination of several artificial neural networks. Other machine learning algorithms are also possible, such as a decision tree, a random forest, a k-nearest neighbors algorithm, a support vector machine, a Bayesian classifier, a k-means algorithm, a genetic algorithm, a kernel regression algorithm, or a discriminant analysis algorithm.

Um ein schnelles Training - beispielsweise auf dem Beatmungsgerät 1 - und die Verwendung kostengünstiger Hardware zu ermöglichen, sollte das Netz 35 nicht übermäßig komplex sein. Eine Architektur mit höchstens 10 trainierbaren Zwischenschichten 41 erwies sich in Versuchen als ein guter Kompromiss zwischen Effizienz und Genauigkeit. Besonders günstig ist ein Netz 35 in Form eines adaptiven Neuro-Fuzzy-Inferenzsystems (ANFIS). Möglich sind aber auch deutlich komplexere DNN-Architekturen.To enable rapid training—for example, on the ventilator 1—and the use of cost-effective hardware, the network 35 should not be overly complex. An architecture with a maximum of 10 trainable intermediate layers 41 proved to be a good compromise between efficiency and accuracy in experiments. A network 35 in the form of an adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) is particularly advantageous. However, significantly more complex DNN architectures are also possible.

Das Machine-Learning-Modul 15 kann auch trainiert werden, um gleichzeitig die Konzentration verschiedener Atemgase im Blut des Patienten zu schätzen.The machine learning module 15 can also be trained to simultaneously estimate the concentration of different respiratory gases in the patient's blood.

In diesem Fall können die Messdaten 5 beispielsweise erste Messdaten und zweite Messdaten umfassen, wobei die ersten Messdaten einen volumenabhängigen Verlauf 13 einer Konzentration eines ersten Atemgases, beispielsweise Kohlendioxid, im Atemluftstrom abhängig vom Atemluftvolumen anzeigen und die zweiten Messdaten einen volumenabhängigen Verlauf einer Konzentration eines zweiten Atemgases, beispielsweise Sauerstoff, im Atemluftstrom abhängig vom Atemluftvolumen anzeigen. Dementsprechend können die Trainingsdatensätze 25 bzw. die Eingabedaten 14 aus den ersten und den zweiten Messdaten erzeugt werden und die Ausgabedaten 17 können eine (geschätzte) Konzentration des ersten Atemgases und des zweiten Atemgases im Blut des jeweiligen Patienten anzeigen.In this case, the measurement data 5 can, for example, comprise first measurement data and second measurement data, where the first measurement data show a volume-dependent profile 13 of a concentration of a first respiratory gas, for example, carbon dioxide, in the respiratory airflow as a function of the respiratory air volume, and the second measurement data show a volume-dependent profile of a concentration of a second respiratory gas, for example, oxygen, in the respiratory airflow as a function of the respiratory air volume. Accordingly, the training data sets 25 or the input data 14 can be generated from the first and second measurement data, and the output data 17 can show an (estimated) concentration of the first and second respiratory gases in the blood of the respective patient.

Hierzu können die Eingabedaten 14 entweder in ein gemeinsames künstliches neuronales Netz 35 oder in zwei separat trainierbare bzw. trainierte künstliche neuronale Netze eingegeben werden. Im zweiten Fall können beispielsweise aus den ersten Messdaten erste Eingabedaten für ein erstes Netz und zweite Eingabedaten aus den zweiten Messdaten für ein zweites Netz erzeugt werden. Dementsprechend werden erste Ausgabedaten, die die Konzentration des ersten Atemgases im Blut des Patienten anzeigen, durch das erste Netz und zweite Ausgabedaten, die die Konzentration des zweiten Atemgases im Blut des Patienten anzeigen, durch das zweite Netz ausgegeben.For this purpose, the input data 14 can be fed either into a common artificial neural network 35 or into two separately trainable or trained artificial neural networks. In the second case, for example, the first measurement data can be used to generate initial input data for a first network, and the second measurement data can be used to generate input data for a second network. Accordingly, initial output data, which indicates the concentration of the first breath gas in the patient's blood, is generated by the first network and the second Output data showing the concentration of the second respiratory gas in the patient's blood, output through the second network.

Das Training des Machine-Learning-Moduls 15 kann beispielsweise folgende Schritte umfassen.The training of Machine Learning Module 15 can, for example, include the following steps.

Zunächst werden Blutproben von verschiedenen Patienten genommen und es wird für jede Blutprobenentnahme ein Entnahmezeitpunkt notiert.First, blood samples are taken from various patients, and the time of collection is noted for each blood sample.

Die Blutproben werden analysiert, um einen tatsächlichen arteriellen Kohlendioxid- und/oder Sauerstoffpartialdruck des jeweiligen Patienten zu bestimmen.The blood samples are analyzed to determine the actual arterial partial pressure of carbon dioxide and/or oxygen of the respective patient.

Gleichzeitig mit und/oder kurz vor und/oder kurz nach der Blutprobenentnahme wird der Kohlendioxid- bzw. Sauerstoffpartialdruck in dem vom jeweiligen Patienten ausgeatmeten Atemluftstrom bei mehreren Atemzügen zumindest während der Ausatmung sensorisch erfasst. Zudem wird der Fluss des Atemluftstroms zumindest während der Ausatmung sensorisch erfasst.Simultaneously with and/or shortly before and/or shortly after blood sampling, the partial pressure of carbon dioxide or oxygen in the patient's exhaled airflow is measured by sensors over several breaths, at least during exhalation. Additionally, the airflow rate is measured by sensors, at least during exhalation.

Durch Integration des Flusses wird das vom Patienten ausgeatmete Atemluftvolumen für jeden Atemzug bestimmt.By integrating the flow, the volume of air exhaled by the patient is determined for each breath.

Hierauf werden aus den zeitbasierten Verläufen des Kohlendioxid- bzw. Sauerstoffpartialdrucks im Atemluftstrom und des Atemluftvolumens entsprechende volumetrische Kapno- bzw. Oxigramme erzeugt.From the time-based profiles of the carbon dioxide and oxygen partial pressures in the breathing airflow and the breathing air volume, corresponding volumetric capnograms and oxigrams are generated.

Anschließend wird in einem Optimierungsverfahren, beispielsweise mithilfe einer Regressionsanalyse, eine mathematische Funktion bestimmt, die die Kurven in den Kapno- bzw. Oxigrammen näherungsweise definiert.Subsequently, in an optimization procedure, for example using regression analysis, a mathematical function is determined that approximately defines the curves in the capnograms or oxigrams.

Anhand der mathematischen Funktion werden dann verschiedene Parameter bestimmt, die bestimmte Merkmale der Kurven beschreiben.Based on the mathematical function, various parameters are then determined that describe certain characteristics of the curves.

Diese Parameter werden zusammen mit den jeweiligen Werten des tatsächlichen arteriellen Kohlendioxid- bzw. Sauerstoffpartialdrucks verwendet, um das Machine-Learning-Modul 15 zu trainieren.These parameters, along with the respective values of the actual arterial carbon dioxide and oxygen partial pressures, are used to train the machine learning module 15.

Die Praxistauglichkeit des Verfahrens konnte unter anderem im folgenden Versuch bestätigt werden.The practicality of the procedure was confirmed, among other things, in the following experiment.

Bei 14 lungengespülten Versuchstieren wurde der arterielle Kohlendioxidpartialdruck (paCO2) kontinuierlich mittels eines optischen intravaskulären Katheters erfasst. Gleichzeitig wurde ein Kapnogramm bei jedem Atemzug erfasst. Die Tiere wurden mechanisch mit fixen Einstellungen beatmet, wobei der positive endexspiratorische Druck in mehreren Stufen von 0 bis 22 cmH2O variiert wurde. Die resultierenden 8599 Datenpunkte - jeweils ein paCO2-Wert gepaart mit einem Satz von 12 Parametern, die aus dem Kapnogramm eines Atemzugs abgeleitet wurden - wurden in ein ANFIS-Modell eingegeben. Die Datenpunkte wurden in einen ersten Satz von 7370 Datenpunkten (85 %) zum Trainieren des Modells und einen zweiten Satz von 1229 Datenpunkten (15 %) zum Testen des trainierten Modells aufgeteilt. Die ANFIS-Analyse wurde in 10 unabhängigen Schritten wiederholt, wobei die einzugebenden Datenpunkte jeweils nach dem Zufallsprinzip ausgewählt wurden.In 14 lung-washed animals, the arterial partial pressure of carbon dioxide ( pa CO₂ ) was continuously recorded using an optical intravascular catheter. Simultaneously, a capnogram was recorded with each breath. The animals were mechanically ventilated with fixed settings, with the positive end-expiratory pressure varied in several steps from 0 to 22 cmH₂O . The resulting 8599 data points—each paired with a pA CO₂ value and a set of 12 parameters derived from the capnogram of a breath—were inputted to an ANFIS model. The data points were split into an initial set of 7370 data points (85%) for training the model and a second set of 1229 data points (15%) for testing the trained model. The ANFIS analysis was repeated in 10 independent steps, with the input data points randomly selected in each step.

Das Bland-Altman-Diagramm für die 10 unabhängig voneinander getesteten ANFIS-Modelle ergab eine mittlere Abweichung von 0,03 ± 0,03 mmHg zwischen geschätztem und tatsächlichem paCO2-Wert bei einem Übereinstimmungsbereich von 2,25 ± 0,42 mmHg und einer mittleren quadratischen Abweichung von 1,15 ± 0,06 mmHg. Die Schätzung war somit ausreichend genau. Es wurde ein Konkordanzindex von 95,5 % (Vier-Quadranten-Diagramm) bzw. 94,3 % (Polardiagramm) berechnet, was für eine gute Trendfähigkeit spricht.The Bland-Altman plot for the 10 independently tested ANFIS models showed a mean deviation of 0.03 ± 0.03 mmHg between the estimated and actual p<sub>a</sub>CO<sub> 2 </sub> values, with a range of agreement of 2.25 ± 0.42 mmHg and a mean squared deviation of 1.15 ± 0.06 mmHg. The estimate was therefore sufficiently accurate. A concordance index of 95.5% (four-quadrant plot) and 94.3% (polar plot) was calculated, indicating good trend tracking ability.

Die Vorteile des Verfahrens lassen sich unter anderem auf folgende Punkte zurückführen.The advantages of the procedure can be attributed to, among other things, the following points.

Zunächst werden volumenbasierte Messdaten statt zeitbasierter Messdaten verwendet. Insbesondere mithilfe der Kapnographie bzw. Oxigraphie können zahlreiche aussagekräftige Parameter bezüglich des Gasaustauschs überwacht werden. Diese Parameter stellen eine robustere Datenbasis für die Beurteilung des Gasaustauschs als rein zeitbasierte Messdaten bezüglich des ausgeatmeten Atemgasstroms dar.Initially, volume-based measurement data are used instead of time-based measurement data. In particular, capnography and oxigraphy allow for the monitoring of numerous informative parameters regarding gas exchange. These parameters provide a more robust data basis for assessing gas exchange than purely time-based measurements of exhaled respiratory gas flow.

Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die parallele Auswertung mehrerer Parameter zu einer genaueren Schätzung als die Auswertung eines einzelnen Parameters (z. B. des endtidalen Kohlendioxidpartialdrucks) führt.Furthermore, it was shown that the parallel evaluation of several parameters leads to a more accurate estimate than the evaluation of a single parameter (e.g., the end-tidal carbon dioxide partial pressure).

Die Verwendung eines Machine-Learning-Moduls bietet zudem den Vorteil, dass nicht lineare, versteckte Informationen im Zusammenhang mit dem pulmonalen Gasaustausch bei jedem Atemzug mit berücksichtigt werden können.The use of a machine learning module also offers the advantage that non-linear, hidden information related to pulmonary gas exchange can be taken into account with each breath.

Abschließend wird darauf hingewiesen, dass Begriffe wie „aufweisen“, „umfassen“, „einschließen“, „mit“ usw. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und unbestimmte Artikel wie „ein“ oder „eine“ keine Vielzahl ausschließen.Finally, it should be noted that terms such as "have", "comprise", "include", "with", etc. do not exclude any other elements or steps, and indefinite articles such as "a" or "an" do not exclude any variety.

Ferner wird darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eine der vorstehenden Ausführungsformen beschrieben sind, auch in Kombination mit Merkmalen oder Schritten, die mit Verweis auf andere der vorstehenden Ausführungsformen beschrieben sind, verwendet werden können.Furthermore, it is pointed out that features or steps that refer to one of the previous The embodiments described above can also be used in combination with features or steps described with reference to other embodiments described above.

Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Beschränkung des Umfangs des durch die Ansprüche definierten Gegenstands zu verstehen.Reference numerals in the claims are not to be understood as limiting the scope of the subject matter defined by the claims.

Liste der BezugszeichenList of reference symbols

11
Beatmungsgerätventilator
33
SensorikSensors
55
MessdatenMeasurement data
77
DatenverarbeitungsvorrichtungData processing device
99
Speichermemory
1111
Prozessorprocessor
1313
volumenabhängiger Verlaufvolume-dependent course
1414
EingabedatenInput data
1515
Machine-Learning-ModulMachine learning module
1717
AusgabedatenOutput data
1919
MessdatensatzMeasurement data set
2121
Patientpatient
2323
BeatmungsschrittVentilation step
2525
TrainingsdatensatzTraining dataset
2727
AuswahlmodulSelection module
2929
ZieldatenTarget data
3131
OptimierungsmodulOptimization module
3333
mathematische Funktionmathematical function
3535
künstliches neuronales Netzartificial neural network
3737
EingabeschichtInput layer
3939
AusgabeschichtOutput layer
4141
ZwischenschichtIntermediate shift
200200
Empfangen von MessdatenReceiving measurement data
202202
Erzeugen von EingabedatenGenerating input data
204204
Eingeben von EingabedatenEntering input data
206206
Ausgeben von AusgabedatenOutput data
300300
Empfangen von MessdatensätzenReceiving measurement data sets
302302
Erzeugen von TrainingsdatensätzenGenerating training datasets
304304
Eingeben von EingabedatenEntering input data
306306
Ausgeben von AusgabedatenOutput data
308308
Bestimmen einer AbweichungDetermining a deviation
310310
Anpassen von GewichtenAdjusting weights
Aw-alvAw-alv
Wendepunkt (Grenze zwischen Atemwegen und Alveolen)Turning point (border between airways and alveoli)
II
erste Ausatmungsphasefirst exhalation phase
IIII
zweite Ausatmungsphasesecond exhalation phase
IIIIII
dritte Ausatmungsphasethird exhalation phase
pCO2pCO2
KohlendioxidpartialdruckCarbon dioxide partial pressure
paCO2paCO2
arterieller Kohlendioxidpartialdruckarterial carbon dioxide partial pressure
pACO2pACO2
alveolärer Kohlendioxidpartialdruckalveolar carbon dioxide partial pressure
petCO2petCO2
endtidaler Kohlendioxidpartialdruckend-tidal carbon dioxide partial pressure
pE̅CO2pE̅CO2
gemischt exspiratorischer Kohlendioxidpartialdruckmixed expiratory carbon dioxide partial pressure
VV
AtemluftvolumenBreathing air volume
VDawVDaw
AtemwegstotraumAirway dead space
VTVT
AtemzugvolumenTidal volume
VTalvVTalv
alveoläres Tidalvolumenalveolar tidal volume

Claims (15)

Computerimplementiertes Verfahren zum Schätzen einer Konzentration (paCO2) eines Atemgases im Blut eines Patienten (21), wobei das Verfahren umfasst: Empfangen (200) von Messdaten (5), die einen volumenabhängigen Verlauf (13) einer Konzentration (pCO2) des Atemgases in einem vom Patienten (21) ausgeatmeten Atemluftstrom abhängig von einem vom Patienten (21) ausgeatmeten Atemluftvolumen (V) anzeigen; Erzeugen (202) von Eingabedaten (14) aus den Messdaten (5), wobei die Eingabedaten (14) eine Matrix von Werten für verschiedene Parameter bezüglich des volumenabhängigen Verlaufs (13) umfassen; Eingeben (204) der Eingabedaten (14) in ein Machine-Learning-Modul (15), das trainiert wurde, um die Eingabedaten (14) in Ausgabedaten (17) umzuwandeln, wobei die Ausgabedaten (17) eine Konzentration (paCO2) des Atemgases im Blut des Patienten (21) anzeigen; Ausgeben (206) der Ausgabedaten (17) durch das Machine-Learning-Modul (15).A computer-implemented method for estimating the concentration (p a CO 2 ) of a respiratory gas in the blood of a patient (21), comprising: receiving (200) measurement data (5) showing a volume-dependent profile (13) of the concentration (pCO 2 ) of the respiratory gas in a breath stream exhaled by the patient (21) as a function of the volume (V) of breath exhaled by the patient (21); generating (202) input data (14) from the measurement data (5), wherein the input data (14) comprise a matrix of values for various parameters relating to the volume-dependent profile (13); inputting (204) the input data (14) into a machine-learning module (15) trained to convert the input data (14) into output data (17), wherein the output data (17) indicate a concentration (p a CO 2 ) of the respiratory gas in the blood of the patient (21); Output (206) of the output data (17) by the machine learning module (15). Computerimplementiertes Verfahren zum Trainieren eines Machine-Learning-Moduls (15) für ein medizintechnisches Gerät (1), wobei das Verfahren umfasst: Empfangen (300) mehrerer Messdatensätze (19), die jeweils Messdaten (5) umfassen, die einen volumenabhängigen Verlauf (13) einer Konzentration (pCO2) eines Atemgases in einem von einem Patienten (21) ausgeatmeten Atemluftstrom abhängig von einem vom Patienten (21) ausgeatmeten Atemluftvolumen (V) anzeigen, wobei die Messdaten (5) verschiedener Messdatensätze (19) zumindest teilweise verschiedenen Patienten (21) zugeordnet sind; Erzeugen (302) mehrerer Trainingsdatensätze (25) aus den Messdatensätzen (19), wobei jeder Trainingsdatensatz (25) einem der Patienten (21) zugeordnet ist und eine Matrix von Werten für verschiedene Parameter bezüglich des volumenabhängigen Verlaufs (13) umfasst; Eingeben (304) eines jeden Trainingsdatensatzes (25) als Eingabedaten (14) in das Machine-Learning-Modul (15), das konfiguriert ist, um die Eingabedaten (14) in Ausgabedaten (17) umzuwandeln, wobei die Ausgabedaten (17) eine Konzentration (paCO2) des Atemgases im Blut des jeweiligen Patienten (21) anzeigen; Ausgeben (306) der Ausgabedaten (17) durch das Machine-Learning-Modul (15); Bestimmen (308) einer Abweichung der Ausgabedaten (17) von Zieldaten (29), die dem jeweiligen Trainingsdatensatz (25) zugeordnet sind; Anpassen (310) von Gewichten des Machine-Learning-Moduls (15) in einem Optimierungsverfahren, um die Abweichung zu verringern.Computer-implemented method for training a machine learning module (15) for a medical device (1), wherein the method comprises: receiving (300) several measurement data sets (19), each comprising measurement data (5) that show a volume-dependent course (13) of a concentration ( pCO2 ) of a respiratory gas in an exhaled airflow from a patient (21) as a function of an exhaled air volume (V) from the patient (21), wherein the measurement data (5) of different measurement data sets (19) are at least The following steps are performed: 302. The training data sets (25) are partially assigned to different patients (21); 302. The machine learning module (15) generates several training data sets (25) from the measurement data sets (19), wherein each training data set (25) is assigned to one of the patients (21) and comprises a matrix of values for various parameters relating to the volume-dependent course (13); 304. The machine learning module (15) inputs each training data set (25) as input data (14) into the machine learning module (15), which is configured to convert the input data (14) into output data (17), wherein the output data (17) indicates a concentration (p a CO 2 ) of the respiratory gas in the blood of the respective patient (21); 306. The machine learning module (15) outputs the output data (17); 308. The machine learning module determines a deviation of the output data (17) from target data (29) assigned to the respective training data set (25); Adjusting (310) weights of the machine learning module (15) in an optimization procedure to reduce the deviation. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messdaten (5) den volumenabhängigen Verlauf (13) bezogen auf einen einzelnen Atemzug des Patienten (21) anzeigen; und/oder wobei die Messdaten (5) ferner einen dem volumenabhängigen Verlauf (13) zugeordneten positiven endexspiratorischen Druck zum Beatmen des Patienten (21) anzeigen.Method according to any of the preceding claims, whereby the measurement data (5) indicate the volume-dependent curve (13) with respect to a single breath of the patient (21); and/or whereby the measurement data (5) further indicate a positive end-expiratory pressure associated with the volume-dependent curve (13) for ventilating the patient (21). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine mathematische Funktion (33), die zumindest einen Abschnitt des volumenabhängigen Verlaufs (13) näherungsweise definiert, unter Verwendung der Messdaten (5) bestimmt wird, wobei mindestens einer der Werte in der Matrix unter Verwendung der mathematischen Funktion (33) berechnet wird.Method according to one of the preceding claims, wherein a mathematical function (33) which approximately defines at least one section of the volume-dependent curve (13) is determined using the measurement data (5), wherein at least one of the values in the matrix is calculated using the mathematical function (33). Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Messdaten (5) in mehreren aufeinanderfolgenden Zeitschritten erzeugt wurden und die mathematische Funktion (33) unter Verwendung der Messdaten (5) aus verschiedenen Zeitschritten bestimmt wird; und/oder wobei die mathematische Funktion (33) gemäß dem Levenberg-Marquardt-Algorithmus bestimmt wird.Procedure according to Claim 4 , wherein the measurement data (5) were generated in several successive time steps and the mathematical function (33) is determined using the measurement data (5) from different time steps; and/or wherein the mathematical function (33) is determined according to the Levenberg-Marquardt algorithm. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die verschiedenen Parameter mindestens einen der folgenden Parameter umfassen: ein bei einem einzelnen Atemzug vom Patienten (21) ausgeatmetes Gesamtvolumen des Atemgases; ein bei einem einzelnen Atemzug vom Patienten (21) ausgeatmetes Gesamtvolumen (VT) einer das Atemgas umfassenden Atemluft; ein Atemminutenvolumen; eine alveoläre Ventilation; einen Atemwegstotraum (VDaw); einen gemischt exspiratorischen Partialdruck (pCO2) des Atemgases; einen endtidalen Partialdruck (petCO2) des Atemgases; einen positiven endexspiratorischen Druck zum Beatmen des Patienten (21); und/oder wobei der volumenabhängige Verlauf (13) in mindestens drei aufeinanderfolgende charakteristische Ausatmungsphasen (I, II, III) bei einem einzelnen Atemzug des Patienten (21) unterteilt wird, wobei die verschiedenen Parameter mindestens einen der folgenden Parameter umfassen: ein erstes Atemgasvolumen als ein in einer ersten (I) der Ausatmungsphasen (I, II, III) vom Patienten (21) ausgeatmetes Volumen des Atemgases; ein zweites Atemgasvolumen als ein in einer zweiten (II) der Ausatmungsphasen (I, II, III) vom Patienten (21) ausgeatmetes Volumen des Atemgases; ein drittes Atemgasvolumen als ein in einer dritten (III) der Ausatmungsphasen (I, II, III) vom Patienten (21) ausgeatmetes Volumen des Atemgases; eine Steigung des volumenabhängigen Verlaufs (13) in mindestens einer der Ausatmungsphasen (I, II, III), insbesondere in einer letzten (III) der Ausatmungsphasen (I, II, III).A method according to any of the preceding claims, wherein the various parameters comprise at least one of the following parameters: a total volume of the respiratory gas exhaled by the patient (21) in a single breath; a total volume (V<sub>T</sub> ) of respiratory air containing the respiratory gas exhaled by the patient (21) in a single breath; a minute ventilation; an alveolar ventilation; an airway dead space (V <sub>Daw</sub> ); a mixed expiratory partial pressure (p <sub>E̅</sub> CO <sub>2</sub> ) of the respiratory gas; an end-tidal partial pressure (p<sub> et </sub>CO<sub>2</sub> ) of the respiratory gas; a positive end-expiratory pressure for ventilating the patient (21); and/or wherein the volume-dependent curve (13) is subdivided into at least three successive characteristic exhalation phases (I, II, III) during a single breath of the patient (21), wherein the various parameters include at least one of the following: a first respiratory gas volume as a volume of respiratory gas exhaled by the patient (21) in a first (I) of the exhalation phases (I, II, III); a second respiratory gas volume as a volume of respiratory gas exhaled by the patient (21) in a second (II) of the exhalation phases (I, II, III); a third respiratory gas volume as a volume of respiratory gas exhaled by the patient (21) in a third (III) of the exhalation phases (I, II, III); a slope of the volume-dependent curve (13) in at least one of the exhalation phases (I, II, III), in particular in a last (III) of the exhalation phases (I, II, III). Verfahren nach Anspruch 6, wobei mindestens ein normiertes Atemgasvolumen durch Dividieren eines der drei Atemgasvolumen durch ein bei dem einzelnen Atemzug vom Patienten (21) ausgeamtetes Gesamtvolumen (VT) einer das Atemgas umfassenden Atemluft bestimmt wird, wobei die Parameter das mindestens eine normierte Atemgasvolumen umfassen.Procedure according to Claim 6 , wherein at least one normalized respiratory gas volume is determined by dividing one of the three respiratory gas volumes by a total volume (V T ) of respiratory air containing the respiratory gas exhaled by the patient (21) during a single breath, wherein the parameters include the at least one normalized respiratory gas volume. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Machine-Learning-Modul (15) ein künstliches neuronales Netz (35) umfasst.Method according to one of the preceding claims, wherein the machine learning module (15) comprises an artificial neural network (35). Verfahren nach Anspruch 8, wobei das künstliche neuronale Netz (35) als ein adaptives Neuro-Fuzzy-Inferenzsystem implementiert ist.Procedure according to Claim 8 , wherein the artificial neural network (35) is implemented as an adaptive neuro-fuzzy inference system. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messdaten (5) mindestens erste Messdaten und zweite Messdaten umfassen, wobei die ersten Messdaten einen volumenabhängigen Verlauf (13) einer Konzentration (pCO2) eines ersten Atemgases im Atemluftstrom abhängig vom Atemluftvolumen (V) anzeigen und die zweiten Messdaten einen volumenabhängigen Verlauf (13) einer Konzentration eines zweiten Atemgases im Atemluftstrom abhängig vom Atemluftvolumen (V) anzeigen; wobei die Ausgabedaten (17) eine Konzentration (paCO2) des ersten Atemgases und eine Konzentration des zweiten Atemgases im Blut des Patienten (21) anzeigen.Method according to one of the preceding claims, wherein the measurement data (5) comprise at least first measurement data and second measurement data, wherein the first measurement data indicate a volume-dependent profile (13) of a concentration ( pCO2 ) of a first respiratory gas in the respiratory airflow depending on the respiratory air volume (V) and the second measurement data indicate a volume-dependent profile (13) of a concentration of a second respiratory gas in the respiratory airflow depending on the respiratory air volume ( V ); wherein the output data (17) indicate a concentration ( paCO2 ) of the first respiratory gas and a concentration of the second respiratory gas in the patient's blood (21). Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Eingabedaten (14) aus den ersten Messdaten erzeugte erste Eingabedaten und aus den zweiten Messdaten erzeugte zweite Eingabedaten umfassen; wobei die ersten Eingabedaten in ein erstes künstliches neuronales Netz eingegeben werden und erste Ausgabedaten, die die Konzentration (paCO2) des ersten Atemgases im Blut des Patienten (21) anzeigen, durch das erste künstliche neuronale Netz ausgegeben werden; wobei die zweiten Eingabedaten in ein zweites künstliches neuronales Netz eingegeben werden und zweite Ausgabedaten, die die Konzentration des zweiten Atemgases im Blut des Patienten (21) anzeigen, durch das zweite künstliche neuronale Netz ausgegeben werden; wobei die Ausgabedaten (17) die ersten Ausgabedaten und die zweiten Ausgabedaten umfassen.Procedure according to Claim 10 , wherein the input data (14) comprise first input data generated from the first measurement data and second input data generated from the second measurement data; wherein the first input data are fed into a first artificial neural network and first output data indicating the concentration (p a CO 2 ) of the first breath gas in the patient's blood (21) are output by the first artificial neural network; wherein the second input data are fed into a second artificial neural network and second output data indicating the concentration of the second breath gas in the patient's blood (21) are output by the second artificial neural network; wherein the output data (17) comprise the first output data and the second output data. Datenverarbeitungsvorrichtung (7), umfassend einen Prozessor (11), der konfiguriert ist, um mindestens eines der Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.Data processing device (7) comprising a processor (11) configured to perform at least one of the methods according to any of the preceding claims. Medizintechnisches Gerät (1), umfassend: eine Sensorik (3) zum Erzeugen von Messdaten (5), die einen volumenabhängigen Verlauf (13) einer Konzentration (pCO2) eines Atemgases in einem von einem Patienten (21) ausgeatmeten Atemluftstrom abhängig von einem vom Patienten (21) ausgeatmeten Atemluftvolumen (V) anzeigen; eine Datenverarbeitungsvorrichtung (7) nach Anspruch 12.Medical device (1), comprising: a sensor system (3) for generating measurement data (5) indicating a volume-dependent profile (13) of a concentration ( pCO2 ) of a respiratory gas in an exhaled airflow from a patient (21) depending on a volume of air (V) exhaled by the patient (21); a data processing device (7) according to Claim 12 . Computerprogramm, umfassend Befehle, die einen Prozessor (11) beim Ausführen des Computerprogramms durch den Prozessor (11) veranlassen, mindestens eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen.Computer program, comprising instructions that cause a processor (11), when executing the computer program, to use at least one of the methods according to one of the Claims 1 until 11 to execute. Computerlesbares Medium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 14 gespeichert ist.Computer-readable medium on which the computer program is stored. Claim 14 is stored.
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